溫室控制系統(tǒng)設計方案

電信學院電子系統(tǒng)設計大賽設班級：***********設計題目：溫室控制系統(tǒng)參賽成員：******目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1、 課題相關要求 3\o"CurrentDocument"1設計任務 3\o"CurrentDocument"2功能要求和技術指標 3\o"CurrentDocument"3發(fā)揮部分 3\o"CurrentDocument"2、 方案論證 3\o"CurrentDocument"1自動控制系統(tǒng)方案論證 3\o"CurrentDocument"1-1控制器的選擇 4\o"CurrentDocument"1-2執(zhí)行器的選擇 4\o"CurrentDocument"2-1-3測量變送器的選擇 5\o"CurrentDocument"2人機交互（輔助控制）方案論證 5\o"CurrentDocument"2-2-1 顯示電路的設計 5\o"CurrentDocument"2-2-2 鍵盤輸入電路的設計 6\o"CurrentDocument"2-2-3 控制電路電路的設計 7\o"CurrentDocument"2-2-4傳感器檢測電路的設計 8\o"CurrentDocument"3、 控制算法設計 8\o"CurrentDocument"1PID控制理論 8\o"CurrentDocument"2數(shù)字PID控制算法 9\o"CurrentDocument"3數(shù)字PID控制算法選定 11\o"CurrentDocument"3-4自動控制方式 12\o"CurrentDocument"4、 系統(tǒng)硬件設計 13\o"CurrentDocument"5、 系統(tǒng)軟件設計 14\o"CurrentDocument"6、 方案特色 151、課題相關要求1設計任務設計一套能夠自動檢測和控制環(huán)境溫度的裝置，該裝置能夠對環(huán)境溫度進行設置，能夠顯示當前的設定溫度值和測量溫度值，溫度可以在一定范圍內由人工設定，并能在環(huán)境溫度變化實現(xiàn)自動調整，以保持設定的溫度基本不變。2功能要求和技術指標溫度檢測：10°C——80°C,最小區(qū)分度0.1°C溫度范圍可任意設定：20°C 60°C冷卻和加熱控制：溫度靜態(tài)誤差＜=1°C顯示被測量的值3發(fā)揮部分冷卻和加熱的有效控制：當設定溫度突變時,減小調節(jié)時間。2、方案論證1自動控制系統(tǒng)方案論證溫室控制系統(tǒng)是一個過程控制系統(tǒng),在設計的過程中,必須明確它的組成部分。過程控制系統(tǒng)的組成部分有：控制器、執(zhí)行器、被控對象和測量變送單元,其框圖如圖1所示。圖1過程控制組成框圖由圖可知，在這個系統(tǒng)的設計中，主要設計如圖幾個部分。除此之外，根據(jù)題目要求，還要選取合適的控制算法來達到系統(tǒng)參數(shù)的要求。對于執(zhí)行器件、測量變送元件將在部分電路設計中有說明。在這個部分我主要是對控制器的確定和控制算法的選擇作一個詳細的介紹。因為這兩部分是實現(xiàn)本系統(tǒng)控制目的的關鍵。它們選取的好壞將直接影響著整個系統(tǒng)實現(xiàn)效果的優(yōu)劣，所以這是一項不容怱視的工作。1-1控制器的選擇方案采用89C51單片機實現(xiàn)，此單片機體積小，價格低廉，軟件編程自由度大，可用編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制，下載方便，不需要專用的編程器，可以通過串口直接下載，內部集成了4個定時/計數(shù)器，可以產生PWM波形，4組（共32個）I/O可供使用，I/O腳的設置和使用非常簡單，通用性強，資源豐富。1-2執(zhí)行器的選擇方案一：選擇電熱絲為執(zhí)行器，通過控制電熱絲兩端的電壓來控制，電熱絲的溫度從來來給周圍的空氣加熱，起到升溫的目的，當要降溫時則只需降低加熱絲兩端的溫度使周圍的空氣溫度降低來實現(xiàn)降溫的目的，此方案的優(yōu)點是能達到比較高的溫度，缺點電熱絲從通電到到發(fā)熱最后到影響環(huán)境的溫度，存在很大的時間滯后問題，并且電熱絲周圍的溫度和離電熱絲較遠處的溫度并不相同，存在很大的偏差，從而倒是溫室內溫度不均勻。方案二：選擇電扇為執(zhí)行器，通過控制電扇兩端的電壓來控制電扇的轉速，當溫室溫度較高時，加大電扇兩端電壓來提高電扇的轉速，從而向溫室中鼓入更多的冷空氣來降低溫室中的溫度；當溫室溫度較低時，降低電扇的轉速，減少冷空氣的鼓入量，從而將溫室溫度提高。此方案的優(yōu)點是控制的溫室內的溫度比較均勻，控制靈敏；缺點是不能達到很高的溫度。方案三：選擇兩個執(zhí)行器，分別為電熱絲和電扇，當溫室溫度升高時先通過增大冷空氣的鼓入量來降低，若不能達到控制要求，在降低電熱絲兩端的電壓來降低溫室溫度；當環(huán)境溫度降低時，先通過減少冷空氣的鼓入量來升溫，若不能達到控制要求，在升高電熱絲兩端的電壓來提高溫室溫度。這樣就可以綜合電熱絲和電扇的優(yōu)點，既可以達到比較高的溫度，而且控制靈敏，溫室溫度控制能比較均勻。比較以上三個方案，我們選擇方案三來實現(xiàn)我們的控制要求，方案已在以上論證。2-1-3測量變送器的選擇方案一：采用熱電阻作為傳感器，把熱電阻放入溫室中，當溫室的溫度變化時，熱電阻的電阻值也會發(fā)生變換，通過測量熱電阻電阻值的變化來測量溫室的溫度，此方案雖然能夠達到檢測環(huán)境溫度的目的，不過由于熱電阻本身的非線性嚴重，因此會給測量帶來很大的誤差，并且熱電阻接入電路中也會由于電流的熱效應從而給測量帶來干擾。方案二：采用數(shù)字式的溫度傳感器18B20作為測量變送器，18B20封裝小，安裝方便，精度高，抗干擾能力強，并且采用單總線結構，和單片機的連接非常方便，只需要一個I/O就可以檢測到溫室的溫度，內部集成了64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器，可以直接讀取器內部寄存器的數(shù)值從而得到溫度，而不需要做A/D采樣的轉換。比較以上兩個方案，我們選擇方案二來實現(xiàn)我們的控制要求，方案已在以上論證。2-2人機交互（輔助控制）方案論證為了能夠清楚的知道溫室中的溫度，我們還設計了顯示電路，顯示當前的溫度設定值和檢測值，并且設計設定值輸入的鍵盤輸入電路，模塊圖如圖2。圖2控制系統(tǒng)模塊圖2-2-1顯示電路的設計方案一：采用數(shù)碼管作為顯示器，數(shù)碼管能夠清晰的顯示數(shù)字，不能顯示字符，要顯示三位的設定溫度值和測量溫度值，就得6個數(shù)碼管，若之間與單片機的I/O連接,則需要14個I/O,占用的較多的I/O口，硬件電路圖設計繁瑣，并且耗電量大。方案二：采用液晶顯示器1602作為顯示器，1602不僅能顯示數(shù)字，還能顯示字符顯示的范圍廣，所需要的控制線也少，只需要11個I/O就可以輕松的控制，且電路設計簡單，編程方便，顯示清晰可靠，耗電量小。1602顯示器如圖3所示。圖3 1602顯示電路設計比較以上兩個方案，我們選擇方案二來實現(xiàn)我們的控制要求。2-2-2鍵盤輸入電路的設計要輸入0——9（共10個數(shù)字）和小數(shù)點，因此我們設計出4*4的矩陣鍵盤，來實現(xiàn)對設定值的輸入。4*4的矩陣鍵盤如圖4所示。

8520-ABcD<TEXT>8520-ABcD<TEXT>圖44*4的矩陣鍵盤2-2-3控制電路電路的設計由于該方案中用到電機和電熱絲，電熱絲需要220V供電，而電機需要直流電，且所要求的電流較大，故選擇ULN2003為電機的驅動芯片，為電機提供較大的電流，而電熱絲則通過間斷控制繼電器的通斷（PWM脈寬調制技術）來控制它兩端的電壓，從而控制它的溫度。其硬件設計電路圖如圖5所示。2”|尺1」P3.2/INT0P3.3/INTTP3.4fT0P3.5/T1P3.6M/RP3.7/?■1213■1415'■17L■R1< 2”|尺1」P3.2/INT0P3.3/INTTP3.4fT0P3.5/T1P3.6M/RP3.7/?■1213■1415'■17L■R1< b蘇EXT〉<TEX7AU3電熱絡* 1、卜220V )■h||~<aaJ—COM■IE1C2B2C犯3C4B4C5B5C6E6C了E7CULN2003A<TEXT>■1?2■~~V2~^o*繼電器圖5電機和電熱絲驅動電路圖2-2-4傳感器檢測電路的設計本方案采用的是18B20數(shù)字溫度傳感器，此溫度傳感器的測溫電路非常簡單，其采用的但總線結構，因此只需要單片機的一個I/O就可以控制。其硬件電路圖如圖6所示。3、控制算法設計1PID控制理論PID在溫度控制中已使用數(shù)十年，是一種成熟的技術，它具有結構簡單、易于理解和實現(xiàn)，且一些高級控制都是以PID為基礎改進的。在工業(yè)過程控制中90%以上的控制系統(tǒng)回路具有PID結構，在目前的溫度控制領域應用十分廣泛，即使在科技發(fā)達的日本，PID在其溫度控制應用中仍然占80%的比例。其主要構成如圖5所。由圖7可知PID調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，這種調節(jié)器是將設定值w與實際輸出值y進行比較構成偏差圖7模擬PID控制

3-1)并將其比例、積分、微分通過線性組合構成控制量。其動態(tài)方程為：u(t)=Ke(t)+ je(t)dt+T (3—2)p T ddti其中K———為調節(jié)器的比例放大系數(shù)pT———為積分時間常數(shù)iT———為微分時間常數(shù)d2數(shù)字PID控制算法3—3)3—4)3—5)由于計算機控制是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，3—3)3—4)3—5)t=kTj(t)?T工e(jT)=T為e(j)0j=0 j=0de(t)e(kT)一e[(k一1)T]e(k)一e(k一1)—dt T T其中，T為采樣周期，e(k)為系統(tǒng)第k次采樣時刻的偏差值，e(k一D為系統(tǒng)第(k一D次采樣時刻的偏差值，k為采樣序號，k=°丄乙…。將上面的(3—4)式和(3—5)式代入(3—2)式，則可以得到pid調節(jié)器的離散化表達式為：TOC\o"1-5"\h\zTk Tu(k)=Ke(k)+為e(j)+曠[e(k)一e(k一1)] (3一6)p T Tij=°如果采樣周期T足夠小，該算式可以很好的逼近模擬PID算式，因而使被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。通常把(3—6)式稱為PID的位置式控制算法。若在(3—6)式中，令：K=— (積分系數(shù))iTiK=仃 (微分系數(shù))dT則 u(k)=Kek)IE eHj' K[e—k€k1)] (3一7)p i dj=0(3—7)式即為離散化的位置式PID控制算法的編程表達式。可以看出，每次輸出與過去的所有狀態(tài)都有關，要想計算u(k)，不僅涉及e(k)和e(k-1),且須將歷次e(j)相加，計算復雜,浪費內存。下面，推導計算較為簡單的遞推算式。為此，對(3—7)式作如下的變動：考慮到第(k—1)次采樣時有：TOC\o"1-5"\h\zTk—1 Tu(k一1)=Ke(k一1)+Ee(j)+曠[e(k一1)一e(k一2)] (3—8)p T Tij=0使(3—6)式兩邊對應減去(3—8)式，得式，得：TTu(k)一u(k一1)=K[e(k)一e(k一1)]+e(k)+d[e(k)一2e(k一1)+e(k一2)]p T Ti整理后得TTu(k)=u(k一1)+K[e(k)一e(k一1)]+e(k)+曠[e(k)一2e(k一1)+e(k一2)]p T TiT=u(k一1)+(K+ +pTiT 2T T礦e(k一2)曠)e(k)一(K +Tp—曠)e(k—1)+TT=u(k一1)+ae(k)一ae(k一1)+ae(k一2)(3—9)012其中：TTa=(K+—+—a-)=(K+K+K)0 pT Tpid10/15TOC\o"1-5"\h\z2T Ta=(K+—d)=(K+2K)a =K1pTpd2Td(3—9)式就是PID位置式得遞推形式。如果令人u(k)=u(k)-u(k-1))則Au(k)=ae(k)-ae(k-1)+ae(k-2) (3_⑹式中的a,a,a同(3—9)式中一樣。012因為在計算機控制中，a,a,a都可以事先求出，所以，實際控制時只須獲得e(k八012e(k-1)、e(k-2)三個有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制輸出對應執(zhí)行機構的位置的增量，故(3—10)式通常被稱為PID控制的增量式算式?？梢姕囟萈ID調節(jié)器有三個可設定參數(shù)，即比例放大系數(shù)K、積分時間常數(shù)K、微pi分時間常數(shù)K。因此，通過整定調節(jié)三大參數(shù)即可控制系統(tǒng)運行狀況。dPID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t),偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，T越大，積分作用越弱，反之則越強；i微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并且能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調節(jié)時間。在實際使用中,在滿足生產過程需要的前提下,應盡量選擇簡單的調節(jié)器,這樣,既節(jié)省投資,又便于維護.常規(guī)PID控制調節(jié)器是一種應用廣泛技術成熟的控制方法，它能滿足一般工業(yè)控制的要求，其優(yōu)點是原理簡單、使用方便、適應性廣。采用PID控制，控制效果的好壞很大程度上取決于PID三個控制參數(shù)的確定。對一個控制系統(tǒng)而言，只要參數(shù)選擇適當,都能取得較好的控制效果。3數(shù)字PID控制算法選定位置式PID控制算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關，算式中要用到過去偏差的累加值工e(j)，容易產生較大的累計誤差。而增量式PID控制算法中只須計算增量，算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關，當存在計算誤差或者精度不足時，對控制量的影響較小，且較容易通過加權處理獲得比較好的控制效果。因此，本系統(tǒng)選用增量式PID控制算法，即利用式人u(k)=a0e(k)-aie(k-1)+a2e(k-2)編寫控制算法。3-4自動控制方式為了實現(xiàn)溫度的自動控制，必須要組成一定的系統(tǒng)結構。如圖8，該控制系統(tǒng)是把輸出量檢測出來，經過物理量的轉換，再反饋到輸入端去與給定量進行比較(綜合)，并利用控制器形成的控制信號通過執(zhí)行機構對控制對象進行控制，抑制內部或外部擾動對輸出量的影響，減小輸出量的誤差，達到控制目的。在此控制系統(tǒng)中單片機就相當于常規(guī)控制系統(tǒng)中的運算器控制器，它對過程變量的實測值和設定位之間的誤差信號進行運算然后給出控制信息。單片機的運算規(guī)則稱為控制法則或控制算法。圖8自動控制框圖常用的控制算法有以下幾種經典的比例積分微分控制算法。根據(jù)動態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化理論得到的自適應控制和最優(yōu)控制方法。根據(jù)模糊集合理論得到模糊控制算法。自適應控制、最優(yōu)控制方法以及模糊控制算法是建立在精確的數(shù)學模型基礎上的，在實時過程控制中，由于控制對象的精確數(shù)學模型難于建立，系統(tǒng)參數(shù)經常發(fā)生變化，運用控制理論進行綜合分析要花很大代價，主要是時間。同時由于所得到的數(shù)學模型過于復雜難于實現(xiàn)。在實時控制系統(tǒng)中要求信號的控制信號的給出要及時，所以在目前的過程控制系統(tǒng)中較少采用自適應控制、最優(yōu)控制方法和模糊控制算法。目前在過程控制中應用較多的還是PI控制算法、PD控制算法和PID控制算法。

4、系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)的基本組成如圖9,系統(tǒng)以單片機為核心，通過單片機實現(xiàn)PID控制算法和PWM技術來控制溫控設施（電熱絲和電風扇）對現(xiàn)場溫度的影響，同時將計算所得的溫度值送顯示器顯示，另外，通過鍵盤實現(xiàn)給定溫度值的輸入，方便了人機交互系統(tǒng)