基于温度传感器的水温控制系统

计算机控制技术课程设计
专业：自动化
班级：动1302
姓名：赵亦哲
学号：201309301
指导教师：侯涛
兰州交通大学自动化与电气工程学院
2016年07月15日
基于温度传感器的水温控制系统
1设计要求
升水加热，要求水温可以在20~100摄氏度范围内进行人工控制，并能在环境温度变化时实现自动调整，以保证在设计的温度。

要求最小分辨率为1摄氏度，温度控制的稳态误差小于0.2摄氏度，能够显示当前的温度。

设计原理图如下：
图1 设计原理图
2设计方案
设计采用220V交流供电的150W加热器，利用DS18B20进行周期性检测，并将数据传递给单片机。

上位机通过单片机传递的实时温度与设定温度进行比较得到误差，通过PID算法得到控制量，送给单片机通过单片机I/O口输出高电平占空比进行控制，实现对加热器为温度输出控制。

3 硬件设计
3.1硬件结构图
图2 硬件结构图
3.2硬件选型
(1)控制器分为上位机和下位机。

上位机为控制计算机，通过反馈的温度与设定的温度进行对比，通过预先设定的算法计算出控制量u ；下位机为AT89C51即单片机，接收由上位机所给出的控制量，对执行机构进行控制。

AT89C51具有如下特点：4kB Flash 片内内存储器，128 byte RAM ，32个外部双向输入输出口，5个中断优先级，2个16位可编程计数器，2个全双工串行通信口。

(2)D/A 转换器采用DAC0832，8为D/A 转换器，与微处理器完全兼容。

DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC 寄存器、8位D/A 转换电路及转换电路及转换控制电路构成。

(3)执行机构采用交流加热棒。

根据相关资料对于加热一杯水，加热棒可以迅速反应，提高控制动态响应速度。

(4)传感器采用PT100铂热电阻温度传感器。

PT100是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。

PT100温度采集范围为—200~200摄氏度，具有抗振性能好，测温精度高，耐高温耐压性好的特点。

(5)显示部分采用数码管。

数码管显示电路可以实现温度的实时显示以便观察水温变化。

4被控对象模型的选取
由于水温控制系统的控制对象具有热存储能力大，惯性也较大的特点，水在容器内流动或热量传递都存在一定的阻力，且水温控制是带有纯滞后特点，所以选型为带有纯滞后的一阶惯性环节，通过网上的查阅与参考，得出在此温度范围
系统传递函数模型可为1
s 34e )s (W s
95-+= 。

5数字PID 控制算法
本设计是闭环控制系统，可以采用PID 控制。

PID 控制是按偏差的比例、积分和微分进行控制的一种控制规律。

它具有原理简单、易于实现、参数整定方便、结构改变灵活、适用性强等优点，在连续系统中的得到广泛的应用，在计算机进 入控制领域后，用计算机实现的数字PID 算法代替了模拟PID 调节器。

数字PID 位置型控制算法：0])
1()()()([)(0u T k e k e Td
j e Ti T k e Kp k u k j +--++=∑= 数字PID 增量型控制算法：
)]2()1(2)([)()]1()([)
1()()(-+--++--=--=∆k e k e k e Kd k Kie k e k e Kp k u k u k u
Kp ——比例增益 Ki=Ti
T
Kp
——积分系数 Kd=T
Td
Kp
——微分系数 本设计采用数字PID 位置型算法得出控制量u 。

利用凑试法对PID 参数进行整定，当Kp=20，Ki=0.8，Kd=1时系统的超调较小，反应时间较快且没有稳态误差，即可以得到较好的效果。

软件主程序流程图见附录A 所示。

6利用MATLAB 仿真
图4未滞后的MATLAB 仿真
图5 有滞后的MA TLAB 仿真
如图所示：
(1)比例调节器简单快速但对于具有自平衡性的控制对象存在静差。

加大比例系数Kp可以减小静差，但当Kp过大会使动态质量变坏，引起被控量震荡甚至使闭环不稳定。

(2)比例积分调节器中积分环节的加入有助于消除系统静差但是会使调整时间变长。

Ti时间积分大则积分作用弱，反之积分作用强。

增大Ti将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。

(3)比例积分微分调节器中微分作用的加入对偏差的任何变化都产生一个控制作用，以调节系统输出阻止偏差的变化，偏差变化越快，反馈矫正量越大。

故微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。

它加快了系统的动作速度减小调整时间，从而改善系统动态性能。

(4)加入纯滞后调节使温度控制与实际情况实现吻合，可以避免因容器体积等因素造成温度调节的时间不一的问题。

5心得体会
本次设计把理论知识与实际联系起来，在实践中检验了自己对知识的掌握程度,增强了自己的动手能力，提高了自身的分析和解决问题的能力，通过查阅相关的资料得知对于类似的系统还有更好的控制方法，由于知识贮备量的限制，虽然最终达到了自己的期望效果，但还是要在今后的不断学习中去改进其中的不足。

最后在此衷心地感谢给予帮助的老师和同学们。

附录A
图6主程序流程图
附录B
利用凑试法得到PID参数：
当无滞后调节时取Kp=0.5，Kd=22.5，Ki=0
仿真结果：
分析：此时反应时间较短，超调量小且无静差即参数选取合适达到比较理想的效果，即取Kp=0.5,Ki=0,Kd=22.5
参考文献
[1]李华，候涛，范多旺等.计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2016.
[2]滕青芳，范多旺，董海鹰等.自动控制原理[M].北京：机械工业出版社，2008.
[3]陶永华.新型P ID 控制及应用[ M ].北京: 机械工业出版社, 1998.
[4]姜香菊.传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2015.
[5]薛定宇.控制系统计算机辅助设计－MA TLAB语言及应用[ M ] .北京：清华大学出版社,1996.。