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(jì)報(bào)告 1.設(shè)計(jì)原理 水溫控制系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為控制核 心，采用開(kāi)關(guān)控制和PID控制算法相結(jié)合，經(jīng)過(guò)控制單位時(shí) 間內(nèi)加熱時(shí)間所占的比例（即控制波形占空比）來(lái)控制水的加 熱速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)1L水的全量程（10C70C）內(nèi)的升 溫、降溫功能的自動(dòng)控制。根據(jù)設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)可劃分為控制模 塊、溫度測(cè)量模塊、水溫調(diào)節(jié)模塊、鍵盤(pán)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(xiě)命令給DS18B20開(kāi)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(jìn)行處理，處理后 在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示。并將實(shí)際測(cè)量溫度值與鍵盤(pán)設(shè)定值進(jìn)行 比較

2、，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，當(dāng)溫差比較大時(shí)采用開(kāi)關(guān) 量調(diào)節(jié)，既全速加熱和制冷，當(dāng)溫差小時(shí)采用PID算法進(jìn)行 調(diào)節(jié)，最終達(dá)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(shí)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(shí)現(xiàn)。其體積小，安裝簡(jiǎn)單，易于 控制，價(jià)格便宜，可短時(shí)間內(nèi)重復(fù)啟動(dòng)，但其制冷速率不高， 因此設(shè)計(jì)中配套散熱風(fēng)扇以達(dá)到快速降溫的目的。 2 .溫度控制算法 實(shí)際溫度控制系統(tǒng)，常采用開(kāi)關(guān)控制或數(shù)字PID控制方 式。開(kāi)關(guān)控制的特點(diǎn)是能夠使系統(tǒng)以最快的素的向平衡點(diǎn)靠 近，但在實(shí)際應(yīng)用卻很容易造成系統(tǒng)在平衡點(diǎn)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(diǎn)，

3、實(shí)用性廣泛的 特點(diǎn)，但誤差較大時(shí)，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(jì)將開(kāi)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(diǎn)，既改進(jìn)了常規(guī)控制的動(dòng)態(tài)過(guò)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(guò)程為 : 當(dāng)水溫溫差大時(shí)，采用開(kāi)關(guān)控制方式迅 速減小溫差，以縮短調(diào)節(jié)時(shí)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(wú)靜態(tài)誤差。在這種 控制方法中， PID 控制在較小溫差時(shí)開(kāi)始進(jìn)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(duì)象

4、關(guān)系密切，要精 確得到被控對(duì)象模型比較困難，為此，采用離線模糊整定的方 法來(lái)確定 PID 參數(shù)，即給出一組 PID 參數(shù)的初值，測(cè)得相應(yīng)的 數(shù)據(jù)，按使這個(gè)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(shí)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(jì)要求，系統(tǒng)對(duì)1L凈水進(jìn)行加熱或降溫處理，根 據(jù)水的對(duì)象特性，會(huì)出現(xiàn)慣性溫度誤差問(wèn)題，原因如下： 溫度控制器采用發(fā)熱絲對(duì)水進(jìn)行加熱。發(fā)熱絲通電加熱 時(shí)，內(nèi)部溫度很高。當(dāng)容器內(nèi)水溫升高至設(shè)定溫度時(shí)，溫度控 制器發(fā)出信號(hào)

5、停止加熱。但這時(shí)發(fā)熱絲的溫度會(huì)高于設(shè)定溫 度，發(fā)熱絲還將繼續(xù)對(duì)對(duì)水進(jìn)行加熱，導(dǎo)致水的溫度還會(huì)繼續(xù) 上升幾度，然后才開(kāi)始下降。當(dāng)水溫下降到設(shè)定溫度的下限 時(shí)，溫度控制器又發(fā)出加熱信號(hào)，開(kāi)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(shí)間，導(dǎo)致水溫會(huì)繼續(xù)下降幾 度。因此，為了對(duì)水溫實(shí)現(xiàn)精確控制，使溫度測(cè)量誤差在士 0.5 C內(nèi)，必須采用PID模糊控制算法，經(jīng)過(guò)Pvar、Ivar、 Dvar （比例、積分、微分）三方面的結(jié)合形成一個(gè)模糊控制來(lái) 解決慣性溫度誤差問(wèn)題。 利用數(shù)值逼近方法，在采樣時(shí)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(shí)，PID調(diào)

6、節(jié)規(guī)律可經(jīng)過(guò)下式近似計(jì)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(jī)每隔固定時(shí)間 T將現(xiàn)場(chǎng)溫度與用戶設(shè)定目標(biāo)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?，F(xiàn)場(chǎng)溫度與目標(biāo)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(shí)測(cè)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(biāo)值與實(shí)測(cè)值相等，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。 2.3PID 參數(shù)的確定 PID參數(shù)的選擇是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵，它決定了溫度控制的 準(zhǔn)確度。由于溫度系統(tǒng)是一個(gè)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(xiàn)提供的經(jīng)驗(yàn)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(jì)算得出Ki=1,Kd