溫度控制器實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、溫度控制器實(shí)驗(yàn)報(bào)告陳力 12307130004一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑诠I(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一，對(duì)溫度控制的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。及時(shí)準(zhǔn)確地得到溫度信息并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲谠S多工業(yè)場(chǎng)合中都是重要的環(huán)節(jié)。對(duì)于溫度控系統(tǒng)優(yōu)劣的評(píng)判，主要有以下幾個(gè)方面：溫度采樣速度與精度、溫度控制的范圍、響應(yīng)時(shí)間、最大超調(diào)以及穩(wěn)態(tài)誤差等。除此之外，友好的人機(jī)交互界面、便捷的控制方式、優(yōu)秀的環(huán)境適應(yīng)能力等也是一個(gè)好的溫度控制器所必須的。 本實(shí)驗(yàn)的溫度控制器采用51單片機(jī)作為控制平臺(tái)，使用PID+PWM的算法進(jìn)行溫度的控制，力求能夠在常溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度迅速、精確的控制，并實(shí)現(xiàn)一定的人機(jī)交互和

2、控制功能。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)目標(biāo) 利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件和器件，設(shè)計(jì)一溫度控制器，利用PLC、CPLD/FPGA或MCU實(shí)現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)下列目標(biāo)：1. 溫度控制范圍大于3050。2. 穩(wěn)態(tài)誤差在1以?xún)?nèi)。3. 最大超調(diào)在2以?xún)?nèi)。4. 最大響應(yīng)時(shí)間小于5min。 2、所用器材選取 基于實(shí)驗(yàn)室所提供的器材，整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的主控部分采用實(shí)驗(yàn)室提供的51單片機(jī)仿真器構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)；控制和顯示部分采用8279芯片控制的8個(gè)數(shù)碼管和4*4鍵盤(pán)單元；升溫裝置為5W20的水泥電阻，降溫裝置為小風(fēng)扇?？紤]到電流型的溫度傳感器AD590以及電壓型的溫度傳感器LM235需要額外的AD轉(zhuǎn)換，而且精度也很難達(dá)到要求，溫度檢

3、測(cè)部分采用了DS18B20 單總線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)。系統(tǒng)整體框圖如下：3、硬件電路設(shè)計(jì) 根據(jù)任務(wù)要求，確定了器件和系統(tǒng)電路。51單片機(jī)的P3.3、P3.4、P3.5三個(gè)I/O口分別連接小風(fēng)扇、DS18B20以及水泥電阻。考慮到51單片機(jī)I/O口的負(fù)載能力有限，選擇了實(shí)驗(yàn)室所提供的達(dá)林頓管2SD560作為功率放大。小風(fēng)扇和水泥電阻的兩端各并聯(lián)了一個(gè)帶有電阻分壓的發(fā)光二極管，用來(lái)直觀地觀察小風(fēng)扇和水泥電阻的工作狀態(tài)。仿真器需要連接5.7V電壓，DS1820需要連接5V電壓，而風(fēng)扇電機(jī)標(biāo)定需要9V電壓，考慮到電源的供電接口只有兩個(gè)，所以將風(fēng)扇電機(jī)連接盡可能高的5.7V電壓，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)仍能

4、轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)圖如下：4、軟件程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的程序主要由系統(tǒng)的主程序、硬件初始化、環(huán)境溫度采集子程序、PID計(jì)算子程序、PWM計(jì)算子程序、溫度控制子程序、鍵盤(pán)控制子程序、顯示子程序、中斷控制子程序等部分構(gòu)成。溫控系統(tǒng)采用了數(shù)字PID 算法，并由軟件實(shí)現(xiàn)，PID算法的返回值用來(lái)控制PWM的高電平和低電平個(gè)數(shù)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)水泥電阻。PID算法的離散數(shù)學(xué)模型可以描述為：其中的Kp, Ki 和Kd 分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；u(k)為第k次的采樣值；e(k)為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e(k-1)為第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。程序流程框圖如下：5、PID參數(shù)的調(diào)節(jié)方法a.確定比例增益P

5、 確定比例增益P 時(shí)，首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是令Ti=0、Td=0（具體見(jiàn)PID的參數(shù)設(shè)定說(shuō)明），使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過(guò)來(lái)，從此時(shí)的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益P為當(dāng)前值的60%70%。比例增益P調(diào)試完成。b.確定積分時(shí)間常數(shù)Ti 比例增益P確定后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過(guò)來(lái)，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的Ti，設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%180%。積

6、分時(shí)間常數(shù)Ti調(diào)試完成。c.確定微分時(shí)間常數(shù)Td 積分時(shí)間常數(shù)Td一般不用設(shè)定，為0即可。若要設(shè)定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時(shí)的30%。 d.系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿(mǎn)足要求。下面是典型的幾種相應(yīng)曲線(xiàn)及存在的問(wèn)題。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、升溫過(guò)程初始溫度為30度，設(shè)定溫度為40度，每2s采集一次數(shù)據(jù)。利用MATLAB擬合得到時(shí)間-溫度時(shí)域響應(yīng)曲線(xiàn)如下圖所示；測(cè)得相應(yīng)數(shù)據(jù)為：響應(yīng)時(shí)間/s 最大超調(diào)/度 穩(wěn)態(tài)誤差/度 76 0.6 0.52、降溫過(guò)程初始溫度為40度，設(shè)定溫度為30度，每2s采集一次數(shù)據(jù)。利用MATLAB擬合得到時(shí)間-溫度時(shí)域響應(yīng)曲線(xiàn)如下圖所示；測(cè)得相應(yīng)

7、數(shù)據(jù)為：響應(yīng)時(shí)間/s 最大超調(diào)/度 穩(wěn)態(tài)誤差/度 116 0.5 0.4四、實(shí)驗(yàn)分析1、溫度控制范圍大于3050。實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，實(shí)際測(cè)量得到的溫度控制范圍約為2380，遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。針對(duì)于本實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，在軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，如果設(shè)置溫度超過(guò)80，程序?qū)?qiáng)制調(diào)整溫度到80，這樣的設(shè)計(jì)主要是出于安全性考慮。2、穩(wěn)態(tài)誤差在1以?xún)?nèi)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，無(wú)論是升溫還是降溫，最終的穩(wěn)態(tài)誤差都在1以?xún)?nèi)，大部分情況下（特別是升溫），穩(wěn)態(tài)誤差都能夠控制在0.5以?xún)?nèi)，可以說(shuō)很好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。3、最大超調(diào)在2以?xún)?nèi)。 實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，升溫情況下，最大超調(diào)基本控制在+1以?xún)?nèi)；降溫情況下，則一般不會(huì)出現(xiàn)超調(diào)?？偟膩?lái)看，最大

8、超調(diào)的范圍在+1以?xún)?nèi)，完成了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求。4、最大響應(yīng)時(shí)間小于5min。實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了溫度控制范圍內(nèi)的最大響應(yīng)時(shí)間，其中升溫從25度到75度響應(yīng)時(shí)間為236s而降溫從75度到25度響應(yīng)時(shí)間為269s?？梢钥闯?，在設(shè)定溫度與初始溫度相差最大的情況下，溫度控制器的響應(yīng)時(shí)間都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。五、實(shí)驗(yàn)思考該實(shí)驗(yàn)是溫度的控制實(shí)驗(yàn)，可以說(shuō)在我們平常的生活中處處都涉及溫度控制。既有像電廠(chǎng)蒸汽、加熱爐、烘干機(jī)之類(lèi)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，也有像蔬菜大棚、牛舍、孵化箱之類(lèi)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，還有像溫箱、空調(diào)、冰箱之類(lèi)的日常生活現(xiàn)場(chǎng)。關(guān)于溫度控制系統(tǒng)的控制平臺(tái)，大部分溫度控制系統(tǒng)采用了不同型號(hào)的單片機(jī)作為控制平臺(tái)，有的溫度控制系統(tǒng)則采

9、用了基于ARM的嵌入式系統(tǒng)，還有一些溫度控制器采用PLC、CPLD、FPGA等平臺(tái)來(lái)進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)的溫度控制器能夠很好地完成溫度控制的功能，溫度控制器的控制范圍、穩(wěn)態(tài)誤差、最大超調(diào)以及響應(yīng)時(shí)間都達(dá)到了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)的要求，除此之外，還實(shí)現(xiàn)了PID實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、PWM占空比顯示等功能。在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和調(diào)試階段，遇到了很多問(wèn)題，程序也經(jīng)過(guò)了多次改進(jìn)，之后通過(guò)自己的努力、與老師同學(xué)的交流，都得到了比較完善的解決。比如，數(shù)碼管顯示不穩(wěn)定、PID參數(shù)難以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)等問(wèn)題，自己也學(xué)習(xí)到了很多知識(shí)。六、參考文獻(xiàn)1 陸起涌.等. 近代無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)M. 上海:復(fù)旦大學(xué)出版社, 2004.2 王勇. 模擬與數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)M. 上海:復(fù)旦大學(xué)出版社, 2013.