水溫控制系統(tǒng)范文

1、水溫控制系統(tǒng) 1 2020年4月19日 文檔僅供參考 設(shè)計報告 1.設(shè)計原理 水溫控制系統(tǒng)以STC89C52單片機作為控制核 心，采用開關(guān)控制和PID控制算法相結(jié)合，經(jīng)過控制單位時 間內(nèi)加熱時間所占的比例（即控制波形占空比）來控制水的加 熱速度，實現(xiàn)對1L水的全量程（10C70C）內(nèi)的升 溫、降溫功能的自動控制。根據(jù)設(shè)計要求系統(tǒng)可劃分為控制模 塊、溫度測量模塊、水溫調(diào)節(jié)模塊、鍵盤輸入模塊、顯示電路 模塊等。系統(tǒng)原理圖如圖所示 STC89C52首先寫命令給DS18B20開始轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)送入8 9C52進行處理，處理后 在液晶屏上實時顯示。并將實際測量溫度值與鍵盤設(shè)定值進行 比較

2、，根據(jù)比較結(jié)果進行溫度調(diào)節(jié)，當(dāng)溫差比較大時采用開關(guān) 量調(diào)節(jié)，既全速加熱和制冷，當(dāng)溫差小時采用PID算法進行 調(diào)節(jié)，最終達到溫度的穩(wěn)定控制。其中，加熱采用內(nèi)置（水 中）電加熱器實現(xiàn)，熱量直接與水傳遞，加熱效果好，控溫方 便；降溫采用半導(dǎo)體制冷片實現(xiàn)。其體積小，安裝簡單，易于 控制，價格便宜，可短時間內(nèi)重復(fù)啟動，但其制冷速率不高， 因此設(shè)計中配套散熱風(fēng)扇以達到快速降溫的目的。 2 .溫度控制算法 實際溫度控制系統(tǒng)，常采用開關(guān)控制或數(shù)字PID控制方 式。開關(guān)控制的特點是能夠使系統(tǒng)以最快的素的向平衡點靠 近，但在實際應(yīng)用卻很容易造成系統(tǒng)在平衡點附近震蕩，精度 不高；而數(shù)字PID控制具有穩(wěn)態(tài)誤差小特點，

3、實用性廣泛的 特點，但誤差較大時，系統(tǒng)容易出現(xiàn)積分飽和，從而份致系統(tǒng) 出現(xiàn)很大的超調(diào)量，甚至出現(xiàn)失控現(xiàn)象。因此，本設(shè)計將開關(guān) 控制，放積分飽和、防參數(shù)突變積分飽和等方法溶入PID控 制算法組成復(fù)式數(shù)字PID控制方法，集各種控制策略的優(yōu) 點，既改進了常規(guī)控制的動態(tài)過程又保持了常規(guī)控制的穩(wěn)態(tài)特 性。 2.1 控制算法的確定 溫度控制過程為 : 當(dāng)水溫溫差大時，采用開關(guān)控制方式迅 速減小溫差，以縮短調(diào)節(jié)時間；當(dāng)溫差小于某一值后采用PID 控制方式，以使系統(tǒng)快速穩(wěn)定并保持系統(tǒng)無靜態(tài)誤差。在這種 控制方法中， PID 控制在較小溫差時開始進入，這樣可有效避 免數(shù)字積分器的飽和。 PID 參數(shù)和被控制對象

4、關(guān)系密切，要精 確得到被控對象模型比較困難，為此，采用離線模糊整定的方 法來確定 PID 參數(shù)，即給出一組 PID 參數(shù)的初值，測得相應(yīng)的 數(shù)據(jù)，按使這個量減小的方向調(diào)節(jié) PID 參數(shù)，用整定后的參數(shù) 控制該系統(tǒng)，并根據(jù)輸出的調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量及穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào) 節(jié)PID參數(shù)，如此重復(fù)，求得一組使系統(tǒng)性能最優(yōu)的PID參 數(shù)。復(fù)合PID控制系統(tǒng)方框圖如圖所示。 2.2PID控制算法 根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)對1L凈水進行加熱或降溫處理，根 據(jù)水的對象特性，會出現(xiàn)慣性溫度誤差問題，原因如下： 溫度控制器采用發(fā)熱絲對水進行加熱。發(fā)熱絲通電加熱 時，內(nèi)部溫度很高。當(dāng)容器內(nèi)水溫升高至設(shè)定溫度時，溫度控 制器發(fā)出信號

5、停止加熱。但這時發(fā)熱絲的溫度會高于設(shè)定溫 度，發(fā)熱絲還將繼續(xù)對對水進行加熱，導(dǎo)致水的溫度還會繼續(xù) 上升幾度，然后才開始下降。當(dāng)水溫下降到設(shè)定溫度的下限 時，溫度控制器又發(fā)出加熱信號，開始加熱，但發(fā)熱絲要把溫 度傳遞到被加熱器件需要一定的時間，導(dǎo)致水溫會繼續(xù)下降幾 度。因此，為了對水溫實現(xiàn)精確控制，使溫度測量誤差在士 0.5 C內(nèi)，必須采用PID模糊控制算法，經(jīng)過Pvar、Ivar、 Dvar （比例、積分、微分）三方面的結(jié)合形成一個模糊控制來 解決慣性溫度誤差問題。 利用數(shù)值逼近方法，在采樣時刻t=iT（T為采樣周期，i為 5 2020 年 4 月 19 日 文檔僅供參考 正整數(shù)）時，PID調(diào)

6、節(jié)規(guī)律可經(jīng)過下式近似計算。 則增量式PID算法的輸出量為： T 二（耳豈+ 心 式中，ei、ei-1、ei-2分別為第n次、n-1次和n-2次的 偏差值，Kp Ti、Td分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)， T為采樣周期。 單片機每隔固定時間 T將現(xiàn)場溫度與用戶設(shè)定目標溫度的 差值帶入增量式 PID算法公式，由公式輸出量決定PWM方波的 占空比，后續(xù)加熱電路根據(jù)此PWM方波的占空比決定加熱功 率。現(xiàn)場溫度與目標溫度的偏差大則占空比大，加熱電路加熱 功率增大，使溫度的實測值與設(shè)定值的偏差迅速減少；反之， 二者的偏差小則占空比減小，加熱電路加熱功率減少，直至目 標值與實測值相等，達到自動控制的目的。 2.3PID 參數(shù)的確定 PID參數(shù)的選擇是設(shè)計成敗的關(guān)鍵，它決定了溫度控制的 準確度。由于溫度系統(tǒng)是一個具有較大滯后性的系統(tǒng)，因此本 系統(tǒng)的采樣周期定為10秒，加熱周期定為1秒鐘，根據(jù)一些 文獻提供的經(jīng)驗值，初步確定Kp=2, Ti=2,Td=0.5,根據(jù)公式 Ki= Kp*T/ TI ； Kd = Kp * TD /T;計算得出Ki=1,Kd