溫度控制器實驗報告

1、溫度控制器實驗報告陳力 12307130004一、實驗目的在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的工藝參數(shù)之一，對溫度控制的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。及時準確地得到溫度信息并對其進行適當?shù)目刂?，在許多工業(yè)場合中都是重要的環(huán)節(jié)。對于溫度控系統(tǒng)優(yōu)劣的評判，主要有以下幾個方面：溫度采樣速度與精度、溫度控制的范圍、響應時間、最大超調(diào)以及穩(wěn)態(tài)誤差等。除此之外，友好的人機交互界面、便捷的控制方式、優(yōu)秀的環(huán)境適應能力等也是一個好的溫度控制器所必須的。 本實驗的溫度控制器采用51單片機作為控制平臺，使用PID+PWM的算法進行溫度的控制，力求能夠在常溫范圍內(nèi)實現(xiàn)對溫度迅速、精確的控制，并實現(xiàn)一定的人機交互和

2、控制功能。二、實驗設(shè)計1、設(shè)計目標 利用實驗室現(xiàn)有條件和器件，設(shè)計一溫度控制器，利用PLC、CPLD/FPGA或MCU實現(xiàn)，并實現(xiàn)下列目標：1. 溫度控制范圍大于3050。2. 穩(wěn)態(tài)誤差在1以內(nèi)。3. 最大超調(diào)在2以內(nèi)。4. 最大響應時間小于5min。 2、所用器材選取 基于實驗室所提供的器材，整個溫度控制系統(tǒng)的主控部分采用實驗室提供的51單片機仿真器構(gòu)成的單片機系統(tǒng)；控制和顯示部分采用8279芯片控制的8個數(shù)碼管和4*4鍵盤單元；升溫裝置為5W20的水泥電阻，降溫裝置為小風扇?？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，而且精度也很難達到要求，溫度檢

3、測部分采用了DS18B20 單總線數(shù)字溫度傳感器對溫度進行檢測。系統(tǒng)整體框圖如下：3、硬件電路設(shè)計 根據(jù)任務要求，確定了器件和系統(tǒng)電路。51單片機的P3.3、P3.4、P3.5三個I/O口分別連接小風扇、DS18B20以及水泥電阻?？紤]到51單片機I/O口的負載能力有限，選擇了實驗室所提供的達林頓管2SD560作為功率放大。小風扇和水泥電阻的兩端各并聯(lián)了一個帶有電阻分壓的發(fā)光二極管，用來直觀地觀察小風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，而風扇電機標定需要9V電壓，考慮到電源的供電接口只有兩個，所以將風扇電機連接盡可能高的5.7V電壓，實驗中發(fā)現(xiàn)仍能

4、轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)的硬件設(shè)計圖如下：4、軟件程序設(shè)計系統(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計算子程序、PWM計算子程序、溫度控制子程序、鍵盤控制子程序、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，并由軟件實現(xiàn)，PID算法的返回值用來控制PWM的高電平和低電平個數(shù)，進而驅(qū)動水泥電阻。PID算法的離散數(shù)學模型可以描述為：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次采樣時刻輸入的偏差值；e(k-1)為第k-1次采樣時刻輸入的偏差值。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，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令Ti=0、Td=0（具體見PID的參數(shù)設(shè)定說明），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；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益P為當前值的60%70%。比例增益P調(diào)試完成。b.確定積分時間常數(shù)Ti 比例增益P確定后，設(shè)定一個較大的積分時間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti，設(shè)定PID的積分時間常數(shù)Ti為當前值的150%180%。積

6、分時間常數(shù)Ti調(diào)試完成。c.確定微分時間常數(shù)Td 積分時間常數(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，取不振蕩時的30%。 d.系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對PID參數(shù)進行微調(diào)，直至滿足要求。下面是典型的幾種相應曲線及存在的問題。三、實驗結(jié)果1、升溫過程初始溫度為30度，設(shè)定溫度為40度，每2s采集一次數(shù)據(jù)。利用MATLAB擬合得到時間-溫度時域響應曲線如下圖所示；測得相應數(shù)據(jù)為：響應時間/s 最大超調(diào)/度 穩(wěn)態(tài)誤差/度 76 0.6 0.52、降溫過程初始溫度為40度，設(shè)定溫度為30度，每2s采集一次數(shù)據(jù)。利用MATLAB擬合得到時間-溫度時域響應曲線如下圖所示；測得相應

7、數(shù)據(jù)為：響應時間/s 最大超調(diào)/度 穩(wěn)態(tài)誤差/度 116 0.5 0.4四、實驗分析1、溫度控制范圍大于3050。實驗測試中，實際測量得到的溫度控制范圍約為2380，遠超過實驗的設(shè)計目標。針對于本實驗的實際情況，在軟件設(shè)計的時候，如果設(shè)置溫度超過80，程序?qū)娭普{(diào)整溫度到80，這樣的設(shè)計主要是出于安全性考慮。2、穩(wěn)態(tài)誤差在1以內(nèi)。實驗測試中，無論是升溫還是降溫，最終的穩(wěn)態(tài)誤差都在1以內(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以內(nèi)，可以說很好地實現(xiàn)了設(shè)計目標。3、最大超調(diào)在2以內(nèi)。 實驗測試中，升溫情況下，最大超調(diào)基本控制在+1以內(nèi)；降溫情況下，則一般不會出現(xiàn)超調(diào)?？偟膩砜矗畲?/p>

8、超調(diào)的范圍在+1以內(nèi)，完成了實驗設(shè)計的要求。4、最大響應時間小于5min。實驗中測試了溫度控制范圍內(nèi)的最大響應時間，其中升溫從25度到75度響應時間為236s而降溫從75度到25度響應時間為269s?？梢钥闯?，在設(shè)定溫度與初始溫度相差最大的情況下，溫度控制器的響應時間都達到了設(shè)計要求。五、實驗思考該實驗是溫度的控制實驗，可以說在我們平常的生活中處處都涉及溫度控制。既有像電廠蒸汽、加熱爐、烘干機之類的工業(yè)現(xiàn)場，也有像蔬菜大棚、牛舍、孵化箱之類的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場，還有像溫箱、空調(diào)、冰箱之類的日常生活現(xiàn)場。關(guān)于溫度控制系統(tǒng)的控制平臺，大部分溫度控制系統(tǒng)采用了不同型號的單片機作為控制平臺，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等平臺來進行控制。設(shè)計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)以及響應時間都達到了實驗設(shè)計時的要求，除此之外，還實現(xiàn)了PID實時調(diào)節(jié)、PWM占空比顯示等功能。在實驗的設(shè)計和調(diào)試階段，遇到了很多問題，程序也經(jīng)過了多次改進，之后通過自己的努力、與老師同學的交流，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)難以準確調(diào)節(jié)等問題，自己也學習到了很多知識。六、參考文獻1 陸起涌.等. 近代無線電實驗M. 上海:復旦大學出版社, 2004.2 王勇. 模擬與數(shù)字電路實驗M. 上海:復旦大學出版社, 2013.