基于simulink仿真的计算机水温控制系统

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( ) ( ) D(z) =
Φ(z) G(z)We(z) =
z−1 − e−T / 2 z −2 1− e−T / 2 z−1 − 1− e−T / 2
z−2
（2.7）
当 T=1s 时，
化，进行热电阻的反函数运算
%目的是为了将反馈单位
2.4 控制器模块设计 本系统采用最小拍无纹波控制。所以在系统的输入端应有采样开关将连续系
统离散化。而在 matlab 的 simulink 上，可通过 ZOH 来表示。由设计要求，需要
计算采样周期分别为 1s、20s 和 60s 的控制器传递函数。
控制器的设计如下：
换后送往 CPU 与设定温度进行比较。图 1.1 是本系统的结构框图。
设定温度 t
+
—
采样开关
最少拍无纹波 控制器
D/A
执行器
1
2s +1
A/D
信号调理
热电阻
图 1.1 系统结构框图
2 系统设计
2.1 热电阻测温模块设计 由于铂的物理好，因此作为测温电阻十分理想[1]。故本系统采用 Pt100 热电阻
DI ADC
数字量线性插值
Uo 电桥反函数
Rt
热电阻反函数
图 2.2 标度转换
实现标度变换的程序为：
数字量线性插值部分：
3
function Vq = DigitalSignalInterpolation( Xq,n)
if (n == 8)
%8 位 ADC 对应分段线性化
Vq= Xq*0.1415/255;
Uo
=
(R4 + R0 )+ ∆R R3 + (R4 + R0 )+ ∆R
E
−
R1 R1 + R2
E
=
2R +
2∆R − 2R − ∆R 4R + 2∆R
E
≈
∆R 4R
E
（2.3）
2
取 E=5V，故得
Uo = 0.0125× ∆R
（2.4）
依据式（2.1）、式（2.2）和式（2.4）可得到对应温度变化为 ∆t 时的电压输 出为 Uo，在其后端接一个 8 位 A/D 即可将模拟电压转化为数字电压送入控制器 与设定温度对应的数字电压进行比较，得到偏差电压来进行控制。
2.3 标度转换模块设计 温度值经过热电阻和电桥后，温度值 T 转变为电桥输出电压 Uo，再经过 ADC
变为 0-255（16 位时为 0-65535）的数字量，本设计设想系统的给定直接是设定 温度而不是电压，需将此数字量重新解析为温度值（将反馈单位化 ），有两种方 法，一种是预先计算机计算得到数字量与温度值的标度变换表（如附表 1），导 入 MCU 中用于查询，如果是 8 位 CPU 则一共只有 256 个值，适合于运算能力 较差的 CPU；另一种比较适合模拟仿真的方法是：将得到的 8 位数字量直接进 行线性插值得到与模拟 Uo 等值的数字量，将此 Uo 依次进行电桥和热电阻的反函 数运算即可得到温度反馈值，如下图 2.2 所示。
%计算 PT100 热电阻测得温度对应电阻值的大小
%电阻值单位：ohm
%温度单位：℃
A = 3.9083E-3;
B = -5.775E-7;
R0 = 100;
%0℃时温度为 100ohm
R_t = R0*(1+T_t*(A+B*T_t));
2.2 信号调理模块设计 如图 2.1 所示，利用电桥电路将温度转换为电压。
—
R2
R1
E
Uo
Rt
R3
R4
+
图 2.1 电桥电路
令 R1 = R2 = R3 = R0 + R4 = R = 100Ω ， R0 表示在温度为 0℃下的铂热电阻的
阻值，这里 R0 = 100Ω ，滑动变阻器 R4 是为调零校正而设置的。设温度变化 ∆t 对
应铂热电阻阻值变化 ∆R （依据式 2.1 和 2.2 得到）。依据图 2.1 可得 Uo 的表达式 为：
I
1 系统设计方案
本系统是基于 simulink 仿真的计算机水温控制系统，目的是对被控对象为
1 ，控制器采用最少拍无纹波控制，实际执行器（这里以电热丝为例）也是 2s +1
一个惯性环节
τ
Ke es +
1
，因其时间常数
τ
e
很小，忽略之，将其简化成一个比例环
节，并设比例系数为 Ke =1。利用热电阻对温度进行检测，经信号调理及 A/D 转
基于 simulink 仿真的计算机水温控 制系统
指导老师： 金济老师 年级专业 12 自动化 1 班 姓名学号 黄 杰 201231200608
张上锋 201231200629 樊文杰 201231060204
2015 年 12 月 15 日
题目及要求
设计题目：基于 simulink 仿真的计算机水温控制系统 设计内容： 假设被控温度对象为 1/(2s+1)，选择 Pt100 热电阻测温，A/D 转换器 为 8 位，设定温度 200C，设计最少拍无纹波控制器 设计要求： 1、分别在 8 位和 16 位 cpu 下选择不同的采样周期 1s,20s,60s 观察
D(z)
=
Φ(z) G(z )We (z
)
;
Φ(z
)
=
1−
We
(z
)
( ) G(z
)
=
Z
⎡1 ⎢
−
e−Ts
⎢⎣ s
1⎤ • 2s +1⎥⎥⎦ =
1− e−T / 2 z −1 1− e−T / 2z −1
（2.5） （2.6）
因为输入为阶跃信号，所以We (z) = 1− z−1 ； Φ(z) = z−1
elseif (n == 16)
%16 位 ADC 对应分段线性化
Vq= Xq*0.1415/65535;
else
%参数设置错误时按 8 位 cpu 计算
Vq= Xq*0.1415/255;
end
电桥反函数部分： function Rt_t = wheatstoneBridgeVoltage2Resistor( Ut_t ) R = 100; Rt_t = R+4*R*Ut_t/(5-2*Ut_t); %目的是为了将反馈单位化，进行电桥的反函数运算
其性能； 2、自行选择热电阻电桥参数；
目
录
1 系统设计方案.......................................................................................................................... 1 2 系统设计.................................................................................................................................. 1 2.1 热电阻测温模块设计……................................................................................................... 1 2.2 信号调理模块设计……....................................................................................................... 2 2.3 标度转换模块设计……....................................................................................................... 3 2.4 控制器模块设计……........................................................................................................... 4 2.5 系统总设计图……............................................................................................................... 5 3 系统仿真.................................................................................................................................. 6 3.1 8 位 CPU 下不同周期的仿真及分析…................................................................................6 3.2 16 位 CPU 下不同周期的仿真及分析…..............................................................................7 4 结论与总结.............................................................................................................................. 9 参 考 文 献.............................................................................................................................. 10 附 录.....................................................................................................................................11 附表 1..........................................................................................................................................11 附录 A.........................................................................................................................................13