温度控制设计.docx
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温度控制设计
一、前言
温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。
在许多场合，及时准确获得目标的温度信息是十分重要的，近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
随着工业技术的不断发展，传统的控制方式已经不能满足高精度、高速度的控制要求。
【1】单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。
在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。
像用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等类似工业用加热炉中都可以广泛应用，随着生产的发展，在工业中，一些设备对温度的控制要求越来越高。
以下是对基于单片机的温度控制系统的设计，旨在控制加热水过程中的温度控制。
单片机作为控制系统中必不可少的部分，在各个领域得到了广泛的应用，用单片机进行实时系统数据处理和控制，保证系统工作在最佳状态，提高系统的控制精度，有利于提高系统的工作效率。
【2】常规的温度控制方法以设定温度为临界点，超出设定允许范围即进行温度调控：
低于设定值就加热，反之就停止或降温。
这种方法实现简单成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不高、容易引起震荡，达到稳定点的时间也长，因此只能用在精度要求不高的场合。
【3】本系统的设计目的是实现一种可连续高精度调温系统，应用广泛，功能强大，小巧美观，既实用又廉价的温度控制系统。
该系统主要实现自动加热、自动保温、自动报警及高温保护功能，采用计算机和单片机显示设定与测量温度，保温时间，加热周期以及PID的各个参数。
PID控制的目的就是将器件的工作温度以及一定的精度稳定在所需要的范围内。
在控制系统中，首先将需要控制的被测参数由传感器产生一定的信号后与预先设定的值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定的运算规律得到相应的控制值，将控制量送给控制系统进行相应的控制，不停地进行上述工作从而达到自动调节的目的。
PID控制原理的优点在于能够在控制过程中根据预先设定好的控制规律不停地自动调节控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过度，最后达到控制范围精度内稳定的动态平衡状态。
要使用好PID控制算法，关键在于根据实际情况确定PID的各种参数，在实践中摸索出规律。
参数的设定做好了将会达到较高的控制精度。
【4】
二、温度控制系统综述
本次所做的温度控制系统，主要是对初始温度值设定，通过反馈控制，对被控对象的温度进行实时监测和传输对比，矫正误差，从而使被控对象的温度始终维持在我们所需要的及设定的温度值上。
此次系统以80摄氏度为初始温度值，以美的牌电热水壶作为被控对象，由于水壶具有大滞后、非线性、时变性的特点，故采用闭环控制的方式，实现对水壶的恒温控制。
本次设计以铂电阻作为测量元件，将采集的数据送入温度变送器中，再经过放大输入至ADC0809将模拟信号转化为数字信号送入单片机中（星研），并由单片机的一系列数据分析处理，将数字信号传入DCA0832转化为模拟电压信号去驱动功率放大器以实现对水壶进行加热的目的，从而使温度维持在80摄氏度。
三、各模块功能及功能简述
温度变送器原理
Pt100的电阻受温度的变化而变化，Rt=R0（1+aT）=100（1+0.00392T），其中T为温度，Rt的单位为欧姆，Rt与温度呈有一个零点的线性关系。
要求温度输出0～100℃时，输出电压为0～5V。
温度变送器设计要点：
（1）为了将温度的变化转化成电压的变化，需设计一个恒流电路，使电阻的变化转化成电压的变化；
（2）因为Vt=Rt×Is=100×Is+0.392T×Is，因此需要设计一个恒压抬高电路，抵消100×Is，使温度与电压呈线性关系；
（3）因为Pt100的电路变化比较小，因此需要放大器。
变送器原理：
由图1可知：
（1）系统前级电路由三极管、二极管和稳压管组成的电路产生恒定的电流Is，使Vi随温度的变化而变化；
（2）Vi为铂电阻的转换电压，U1和U2组成二级放大器，Vi1为一级放大电压，V11抬高电压，Vo为最终输出电压（0~10V）,Vo1输出0~5V；
（3）U3是射极跟随器，产生稳定的抬高电压V11。
（4）
温度变送器的调试：
（1）调节R2使Is为2.55（mA）；
（2）调节R14使V11的电压为2.55（V）；（3）调节R16使Vo1为Vo的一半。
设计完成后对温度变送器进行环境温度与采集电压进行曲线拟合，应用EXCEL对测试所得数据进行拟合如下图所示，拟合公式如下公式所示：
图3电压温度关系图
拟合公式为：
Y=0.0502x+0.8154
其中为y为采集电压值，x为环境温度。
经调试后的温度变送器基本上能够准确地实现温度—采集电压之间的零点线性变换。
图4温度变送器实物图
功率调控模块
功率可调模块选用EUV-10A-
，该模块采用单片机设计，可实现软启动、软停车功能，广泛应用于交直流电机调速，单相220VAC、380VAC变压器初级原边调压、电磁铁振动、调光、焊机、电镀等功率调节场合。
技术参数
●工作电压220VAC、380VAC
●有效值电流10A
●偏置电压Vb12VDC
●偏置电流≤30mADCmax
●输入控制信号1-5VDC或4-20mA或10k电位器
●输出电压变化范围0-220VDC、0-380VAC
●引出端与底板间、输入与输出电路间介质耐压2500VACmin/50Hz
功率调控模块EUV-10A-
的接线方式如下图2所示。
左图为触发电路的接线图，右图为交流电的输入和输出的连接图。
连接图
图5功率模块的接法
4、单片机实验系统
单片机系统采用DICE-5103H实验系统。
四、控制器设计
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
其输入e（t）与输出u（t）的关系为
u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt]
它的传递函数为：
G（s）=U（s）/E（s）=kp[1+1/（TI*s）+TD*s]
其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数
PID控制在生产过程中是一种被普通采用的控制方法，是一种比例、积分、微分并联控制器，常规PID控制系统原理框图如下图所示：
（被控对象为电热水壶）
PID控制器流程图
本次课程设计采用PID控制，我们首先通过试验箱对AD、DA的输入以及输出做了相应的调试，得出可行的结论后进行电路板焊接。
图6PID控制算法流程图
PID参数整定
PID调节器的参数整定是控制系统地核心内容，工程整定法是较常采用的方法，主要包括临界比例度法、响应曲线法、衰减曲线法和经验凑试法。
本设计主要采用经验凑试法对PID参数进行整定以达到良好的控制效果以及较强的干扰能力。
五、系统性能分析
系统在不同PID参数控制下的响应曲线如下各图所示：
1、比例控制
在积分ki=0.1的情况下，调节不同的比例kp参数有以下几种情况：
图7Kp=10Ki=0.1Kd=0图8Kp=20Ki=0.1Kd=0
图9Kp=40Ki=0.1Kd=0
如上图所示，在只调节比例参数的情况下，系统均有不同程度的超调，随着Kp的增加系统的上升时间逐渐缩短。
随着比例Kp的变大，系统的稳定性也变差，稳态误差也随之增大，总体控制精度不高。
所以只控制系统的Kp是不够的，故进一步对积分Ki进行整定。
2、比例积分控制
在比例Kp=20的基础上对积分Ki进行调整，响应曲线如下所示：
图9Kp=20Ki=0.1Kd=0图10Kp=20Ki=0.15Kd=0
图11Kp=20Ki=0.2Kd=0图12Kp=20Ki=0.3Kd=0
如上图所示，选取使系统超调较小较之稳定的Kp，在比例Kp不变的情况下，积分可以消除或者减小系统的稳态误差。
但过大的积分作用使得系统的稳定性有所下降，抗干扰能力下降并使得系统的动态响应变慢了，所以积分Ki不是越大越好。
3、系统在扰动作用下的响应曲线
图13Kp=20Ki=0.1Kd=0
如上图所示，系统在干扰作用下能够较为迅速进行自我调节并逐步恢复到稳定状态，说明系统具有较强的自我调节能力和抗干扰能力。
系统总体性能分析：
从上述图形我们可以清楚的看到，加入比例可以使得系统加快调节，减小误差，但是过大的比例使得系统稳定性下降。
加入积分使得系统能够较小甚至消除稳态误差，但是过强的积分作用会使得系统稳定性下降，动态响应变慢。
由于没有微分调节所以不做微分对系统作用的概述。
系统分析（建模）
我们选取kp=20；ki=0.1；kd=0；的图形来进行建模，采用测试建模法进行建模。
（1）确定被控过程的闭环传递函数为一个惯性环节与一个滞后环节的组合。
（2）找到图形变化速度最快的拐点（D点）处做一条切线，该切线与时间轴交与点A，与y（t）的稳态值交与点C，C点在时间轴上的投影于点B，AB即为被控过程的时间常数T，OA为被控过程的滞后时间τ。
（3）由图形得闭环传递函数G（s）=（K/Ts+1）e-τs
K=y（∞）/x=80/80=1T=190τ=10
闭环传递函数G（s）=（1/190s+1）e-10s
开环传递函数=[K*e-τs]/[（Ts+1）-K*e-τs]=e-10s/[（190s+1）-e-10s]
（4）系统的状态方框图：
六、心得体会
课程设计到现在就基本结束了，对于这次课程设计的收获，可以说是非常大的，在经过自己全面的动手之后，让我们对于整个温度控制系统，PID控制算法以及编程语言有了更深入的了解，也让我们对于专业方向有了更加清晰的思路。
本次课程设计中每个阶段都是非常重要的，一旦一个地方出错就可能导致无法接下去。
所以在电路板的焊接上需要格外的认真。
但是因为动手能力不足，最终还是出现了几个不完美的地方，不过经过大家的一起努力，还是解决了这些小问题。
至于电路板的最终成果，最然表面看起来还算整齐，但是背后的线路就稍显凌乱。
在电路板完工之后就需要对温度变送器的校准，以及系统的调试。
根据系统的要求，调节滑动变阻器R2使得Is等于2.55（mA），调节R14使V11的电压为2.55（V），调节R16使Vo1为Vo的一半。
在PID参数的整定上，比例控制具有输出能够无失真、完全按比例复现输入的特点，积分控制提高了系统的类别，本质上改善了系统的稳态误差。
跟上自动原理的理论基础我们对PID参数进行经验法整定。
加入比例可以使得系统加快调节，减小误差，但是过大的比例使得系统稳定性下降。
加入积分使得系统能够较小甚至消除稳态误差，但是过强的积分作用会使得系统稳定性下降，动态响应变慢。
主要参考文献：
【1】山东省科学院自动化研究所郭向亮等2009
【2】江孝国等高精度PID温度控制器《电子与自动化》2000年第五期
【3】王兆安等电力电子技术机械工业出版社2000
【4】张艳艳现代电子技术2009年
【5】先锋工作室单片机程序设计实例清华大学出版社2003年
附录：
1、实验室提供原件清单：
12V开关电源1个；电热水杯1个；功率模块1个；Pt100一个；电源插座1个；万能板1块；小螺钉4套；烙铁1把；焊锡若干；电源线1根；万用表1个；小螺丝刀1把；温度计1个；白色绝缘胶1卷；串口线1根；剥线钳1把；三极管：
1个；
插座和插头：
三芯1个（+12V、VCC、-12V）、两芯2个（A/D和地、Pt100）；
二极管：
CR1（LN4148）1个、CR2（稳压管6.2V）1个、CR3（稳压管9.2V）1个；
运放：
7413个、芯片插座芯（运放）3个；电阻：
R1（47K）、R2（2K）、R3（电位器1K）、R4（10K）、R5（10K）、R6（100K）、R7（10K）、R8（100K）、R9（10K）、R10（100K）、R11（100K）、R12（2.2K）、R13（电位器1K）、R14（3.32K）、R15（10K）；
电阻总汇表：
电阻
数量
备注
电容50V4.7µF
3
电解电容
电位器1K
2
R3、R13
电位器100K
1
R16
电阻47K
1
R1
电阻2K
1
R2
电阻2.2K
1
R12
电阻10K
5
R4、R5、R7、R9、R15
电阻100K
4
R6、R8、R10、R11
电阻3.32K
1
R14
1、课程设计程序
（1）调试程序及其结论如下：
AD、DA转换调试程序：
#include
#defineucharunsignedchar
ucharxdata*ad;
uchardataadtab;
ucharj=0;
main（）
{ad=0x0f000;
while
（1）
{
*ad=0;
for（j=0;j<=100;j++）;
adtab=*ad;
P1=adtab;
return0;
}}
结论：
5V时候LED灯全亮，0V的时候LED灯全灭
（2）发送机程序：
（3）接收机程序：
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