智能仪器设计一个水温控制系统

设计一个水温控制系统

一：设计要求

一升水由1kW 的电炉加热，要求水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。

二：主要性能指标 温度设定范围：40～90℃，最小区分度为1℃；

控制精度：温度控制的静态误差≤1℃；

用十进制数码显示实际水温；

三：总体论证

控制方法选择

水温控制系统的控制对象具有热储存能力大，惯性也较大的特点，水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节；

比例积分加微分控制(PID 控制)

微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果；在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差；PID 控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。计算机是一种采样控制，只能根据采样时刻的偏差计算控制量，不能像模拟控制一样连续输出控制量，不能连续控制，因此控制算法里必须加入离散化处理后的积分环节和微分环节。

本系统中，PID 控制器的输入时实测温度和期望值的偏差，输出是PWM 波的脉宽。由于温度具有热惯性的特点，以及避免出现超调现象，所以加入比例环节，而且比例系数不能太大，同时为了配合时间，可以当温差大于10时不进行PID

t

y

运算，当温差进入10度范围内时，开启定时器进行PID控制。

PID控制流程图：

方案选择

结合本例题设计任务与要求，由于水温系统的传递函数事先难以精确获得，因而很难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求；

但从以上对控制方法的分析来看，PID控制方法最适合本例采用：

一方面，由于可以采用单片机实现控制过程，无论哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案；

另一方面，采用PID的控制方式可以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。

系统组成

就控制器本身而言，控制电路可以采用经典控制理论和常规模拟控制系统实现，也可以采用以单片机为核心的智能电子系统实现水温的自动控制；

单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑电路中往往是难以实现或无法实现的；

所以本例将采用以单片机为核心的直接数字控制系统。

系统设计

软硬件功能划分

在绝大多数单片机系统中，系统功能的软、硬件划分往往是由系统对控制速度的要求决定的，在没有速度限制的情况下可以考虑以软件换取硬件电路的简化，以求降低硬件成本。为了简化系统硬件、降低硬件成本、提高系统灵活性和可靠性，系统的软、硬件功能可作如下划分：

PID运算、输入信号滤波及大部分控制过程都可由软件来完成；

硬件的主要功能是温度信号的传感、放大、A/D转换及输出信号的功率放大；

人机通道功能由系统软、硬件配合完成，以降低软件设计的复杂性及缩短系统的研制周期。

速度计算

∵ΔQ=mCΔT=1000g×1kcal/g•K×1K=1000kcal

又∵ΔW=P×Δt=4.186×ΔQ

∴Δt=4.186×ΔQ/P＝4.186J/kcal×1000kcal/1000W=4.186s 由此可见，对于指令执行时间一般为几个微秒的单片机系统来说，控制速度几乎没有任何限制。

总体设计框图

根据系统总体方案，系统由单片机基本系统、前向通道、后向通道和人机对话通道等4个主要的功能模块组成，总体框图如图所示。

单片机基本系统

单片机系统是整个控制系统的核心；

由于系统对控制速度、精度及功能要求都无特别之处，因此可以选用目前广泛使用的MCS－51系列单片机8051；8051可以提供系统控制所需的I/O口、中断、定时及存放中间结果的RAM电路；

前向通道

前向通道是信息采集的通道，主要包括传感器、信号放大、A/D转换等电路；

由于水温变化是一个相对缓慢的过程，因此前向通道中没有使用采样保持电路；

信号的滤波可由软件实现，以简化硬件、降低硬件成本。

后向通道

后向通道是实现控制信号输出的通道；

单片机系统产生的控制信号经功率放大电路放大控制电炉的输入功率，以实现控制水温的目的。

人机对话通道

人机对话通道主要由键盘、LED显示组成；

为了满足功能要求，键盘可由10个数字键及6个功能键组成(确认、取消、设定温度、修改PID参数、运行、打印)；LED显示由双3位数码管组成，分别显示给定温度和实测温度，显示范围为0.0～99.9℃；

单元电路设计

单片机基本系统

前向通道

一阶惯性滤波即RC低通滤波

主要用于过滤掉变化的随机干扰信号

算法公式为Y(n)=aX(n)+(1-a)Y(n-1)

A是滤波系数，本次采样值，上次滤波输出值，本次滤波输出值因此，一阶低通滤波算法采用本次采样值与上次滤波输出值进行加权处理，得到有效滤波值，是输出对输入有反馈作用

优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，适用于波动频率较高的场合

缺点：相位滞后，灵敏度低，其中滞后程度取决于A的大小

流程图

ADC0809

传感器选择

温度传感器的种类较多。热电偶的灵敏度较低；热敏电阻由于非线性而影响其精度；铂电阻温度传感器由于成本高，在一般小系统中很少使用；

AD590是美国Analog Devices公司生产的二端式集成温度—电流传感器，具有体积小、重量轻、线性度好、性能稳定等