基于溫度傳感器的水溫控制系統(tǒng)

1、評(píng)語(yǔ)：考勤（10）守紀(jì)（10）過程（40）設(shè)計(jì)報(bào)告（30）答辯（10）總成績(jī)（100）專業(yè)：自動(dòng)化班級(jí)：動(dòng)1302姓名：趙亦哲學(xué)號(hào)：201309301指導(dǎo)教師：侯濤蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2016年07月15日計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告基于溫度傳感器的水溫控制系統(tǒng)1設(shè)計(jì)要求升水加熱，要求水溫可以在20100攝氏度范圍內(nèi)進(jìn)行人工控制，并能在環(huán)境溫度變化時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，以保證在設(shè)計(jì)的溫度。要求最小分辨率為1攝氏度，溫度控制的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.2攝氏度，能夠顯示當(dāng)前的溫度。設(shè)計(jì)原理圖如下：給定里控制器Id/a|q驅(qū)動(dòng)電足加熱器|丁被控變量A/D溫度傳感器圖1設(shè)計(jì)原理圖2設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)采用220V

2、交流供電的150W加熱器，利用DS18B20進(jìn)行周期性檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)。上位機(jī)通過單片機(jī)傳遞的實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較得到誤差，通過PID算法得到控制量，送給單片機(jī)通過單片機(jī)I/O口輸出高電平占空比進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器為溫度輸出控制。3 硬件設(shè)計(jì)3.1硬件結(jié)構(gòu)圖圖2硬件結(jié)構(gòu)圖3.2硬件選型(1) 控制器分為上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)為控制計(jì)算機(jī)，通過反饋的溫度與設(shè)定的溫度進(jìn)行對(duì)比，通過預(yù)先設(shè)定的算法計(jì)算出控制量u下位機(jī)為AT89C51即單片機(jī)，接收由上位機(jī)所給出的控制量，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。AT89C51具有如下特點(diǎn)：4kBFlash片內(nèi)內(nèi)存儲(chǔ)器，128byteRAM，32個(gè)外部雙向

3、輸入輸出口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2個(gè)16位可編程計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口。(2) D/A轉(zhuǎn)換器采用DAC0832，8為D/A轉(zhuǎn)換器，與微處理器完全兼容。DAC0832由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。(3) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用交流加熱棒。根據(jù)相關(guān)資料對(duì)于加熱一杯水，加熱棒可以迅速反應(yīng)，提高控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。(4) 傳感器采用PT100鉑熱電阻溫度傳感器。PT100是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表。PT100溫度采集范圍為一200200攝氏度，具有抗振性能好，測(cè)溫精度高，耐高溫耐壓性好的特點(diǎn)。(5) 顯示部分采用數(shù)碼管。數(shù)碼管顯示電路

4、可以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)顯示以便觀察水溫變化。4 被控對(duì)象模型的選取由于水溫控制系統(tǒng)的控制對(duì)象具有熱存儲(chǔ)能力大，慣性也較大的特點(diǎn)，水在容器內(nèi)流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，且水溫控制是帶有純滯后特點(diǎn)，所以選型為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，通過網(wǎng)上的查閱與參考，得出在此溫度范圍系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型可為W(s)二召5數(shù)字PID控制算法本設(shè)計(jì)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以采用PID控制。PID控制是按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的一種控制規(guī)律。它具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、參數(shù)整定方便結(jié)構(gòu)改變靈活、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在連續(xù)系統(tǒng)中的得到廣泛的應(yīng)用，在計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域后，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字PID算法代替了模擬PID調(diào)節(jié)器。數(shù)字

5、PID位置型控制算法：u(k)二Kpe(k)+丈e(j)+Td*)e(k»+u0TiTj=o數(shù)字PID增量型控制算法：Aw(k)=u(k)-u(k-1)=Kpe(k)-e(k-1)+Kie(k)+Kde(k)-2e(k-1)+e(k-2)Kp比例增益Ki=Kp積分系數(shù)TiKd=Kpd微分系數(shù)本設(shè)計(jì)采用數(shù)字PID位置型算法得出控制量u。利用湊試法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，當(dāng)Kp=20，Ki=0.8，Kd=1時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)較小，反應(yīng)時(shí)間較快且沒有穩(wěn)態(tài)誤差，即可以得到較好的效果。軟件主程序流程圖見附錄A所示。6利用MATLAB仿真如圖所示：(1)比例調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)單快速但對(duì)于具有自平衡性的控制對(duì)象存在

6、靜差。加大比例系數(shù)Kp可以減小靜差，但當(dāng)Kp過大會(huì)使動(dòng)態(tài)質(zhì)量變壞，引起被控量震蕩甚至使閉環(huán)不穩(wěn)定。(2) 比例積分調(diào)節(jié)器中積分環(huán)節(jié)的加入有助于消除系統(tǒng)靜差但是會(huì)使調(diào)整時(shí)間變長(zhǎng)。Ti時(shí)間積分大則積分作用弱，反之積分作用強(qiáng)。增大Ti將減慢消除靜差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。(3) 比例積分微分調(diào)節(jié)器中微分作用的加入對(duì)偏差的任何變化都產(chǎn)生一個(gè)控制作用，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出阻止偏差的變化，偏差變化越快，反饋矯正量越大。故微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它加快了系統(tǒng)的動(dòng)作速度減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。(4) 加入純滯后調(diào)節(jié)使溫度控制與實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)吻合，可以避免因容器體

7、積等因素造成溫度調(diào)節(jié)的時(shí)間不一的問題。5 心得體會(huì)本次設(shè)計(jì)把理論知識(shí)與實(shí)際聯(lián)系起來，在實(shí)踐中檢驗(yàn)了自己對(duì)知識(shí)的掌握程度,增強(qiáng)了自己的動(dòng)手能力，提高了自身的分析和解決問題的能力，通過查閱相關(guān)的資料得知對(duì)于類似的系統(tǒng)還有更好的控制方法，由于知識(shí)貯備量的限制，雖然最終達(dá)到了自己的期望效果，但還是要在今后的不斷學(xué)習(xí)中去改進(jìn)其中的不足。最后在此衷心地感謝給予幫助的老師和同學(xué)們。8附錄A開始NO結(jié)束<T是否低于預(yù)設(shè)值求出輸出控制量YESPID算法系統(tǒng)初始化溫度數(shù)據(jù)的采集及處理控制輸出停止加熱圖6主程序流程圖附錄B利用湊試法得到PID參數(shù)：當(dāng)無滯后調(diào)節(jié)時(shí)取Kp=0.5，Kd=22.5，Ki=0仿真結(jié)果：分析：此時(shí)反應(yīng)時(shí)間較短，超調(diào)量小且無靜差即參數(shù)選取合適達(dá)到比較理想的效果，即取Kp=0.5,Ki=0,Kd=22.5參考文獻(xiàn)李華，候濤，范多旺等計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.2 滕青芳，范多旺，董海鷹等.自動(dòng)控制原理M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社