水温计算机控制系统设计+Matlab仿真

《计算机控制技术》设计报告

题目：水温计算机控制系统

姓名：张家明

班级:09自动化2班

学号：080312009081

一﹑设计任务与要求

1.基本要求

1L水由1kW的电路加热,要求水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度变化时实现自动调整，以保持在设定的温度。

2.主要性能指标

(1)。温度设定范围：10℃~100℃，最小分辨率为1℃.

(2）.控制精度：温度控制的稳态误差<0。2℃.

（3）.能够实时显示当前水温

（4).具有通信能力，可通过RS—232串口输出当前温度值至上位机。

（5）。采用适当的控制方法,当设定温度或环境温度突变时减小系统的调节时间和超调量。

二﹑方案论证

由于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，因而可以将被控对象归于具有纯滞后的一阶惯性环节。该系统可以采用以下几种控制方案:

1。输出开关量控制

对于惯性较大的过程可简单地采用输出开关量控制的方法。这种方法通过比较给定值与被控参数来控制输出的状态：通过控制加热回路的晶闸管的导通或关断来控制加热时间,控制过程简单易行，但容易引起反馈回路产生振荡。因此这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。

2.PID控制

设计PID控制算法（常规PID﹑微分先行PID﹑中间反馈PID等）,对给定值与被控参数的偏差进行PID运算，输出控制量来控制加热回路。

3。最小拍控制

根据数字控制器的离散化设计方法，设计最小拍有波纹（或无波纹)数字控制器来控制加热回路。

4。纯滞后控制技术

（1)。史密斯预估控制

设计史密斯预估器实现对大延迟系统的控制。

(2）.达林控制算法

通过达林算法设计数字控制器实现对水温的控制。

三﹑系统设计

1．硬件设计

水温控制系统结构图

⑵．系统硬件总体设计框图

水温控制系统硬件总体设计框图⑶．单元电路设计

①．单片机最小系统

②．温度传感器信号调理及A/D转换电路

③．键盘接口电路

④．LCD1602液晶显示电路

⑤．驱动电路

⑥．串口通信电路

2．软件设计

对温度采样信号进行数字滤波，可采用如下几种方法：

①．限幅滤波法

②．中值滤波法

③．算术平均值滤波法

④．加权平均值滤波法

⑤．滑动平均值滤波法

⑥．惯性滤波法

⑦．复合数字滤波

主程序流程图

运行子程序流程图

控制算法设计

⑴．PID 控制算法设计 其控制规律表达式为：

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡++

=⎰

t

D

I P dt t de T dt t e T t e K t u 0

)()(1

)()( 由上式可得PID 控制器的传递函数为：

s T K s

T K K s D D P I P P ++

=1

)( 对应的数字PID 控制算法： ①．位置型PID 控制算法：

⎥⎦

⎤

⎢⎣⎡--++

=∑=T k e k e T i e T T

k e K k u k

i D I P )1()()()()(0

②．增量型PID 控制算法

])2()1(2)([)()]1()([)(-+--++--=∆k e k e k e T

D T P K k e I

T T P K k e k e P K k u

（2）.最小拍控制系统设计

被控对象传函为s

P e s s G 210

10)(-+=。令采样周期T=1s,则有

广义对象的脉冲传递函数:3)](1[)(--=-=z s G s

e Z z G P Ts

误差脉冲传达函数为∴32111)1)(1()(-----=++-=Φz z z z z e 闭环脉冲传递函数为3)(1)(-=Φ-=Φz z z e 则数字控制器的脉冲传达函数为3

11

)()()(1)(--=ΦΦ=

z z z z G z D e

（3）。史密斯预估控制方案设计

根据史密斯预估控制的基本思路，史密斯预估器的传函为

)1(10

10

)1)(()(22s s P e s e s G s C ---+=-=

（4)。达林算法控制方案设计

设期望闭环传函为s

e s s 21

41)(-+=Φ,则1

32779.01221.0]1411[)(-----=+-=Φz z e s s e Z z s Ts 数字控制器传函为3

1221.0779.01221

.0)(1)()(1)(----=Φ-Φ=z

z z z z G z D 四．Matlab 仿真:

被控对象传函：s

P e s s G 210

10)(-+= 1.常规PID 控制

050100150200250300

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

常规PID 控制

输入响应

2.微分先行PID 控制