水温控制系统

设计报告

1.设计原理

水温控制系统以STC89C52单片机作为控制核心，采用开关控制和PID控制算法相结合，通过控制单位时间内加热时间所占的比例（即控制波形占空比）来控制水的加热速度，实现对1L水的全量程（10C 70C ）内的升温、降温功能的自动控制。根据设计要求系统可划分为控制模块、温度测量模块、水温调节模块、键盘输入模块、显示电路模块等。系统原理图如图所示

STC89C52首先写命令给DS18B20开始转换数据，将转换后的温度数据送入8 9C52进行处理，处理后在液晶屏上实时显示。并将实际测量温度值与键盘设定值进行比较，根据比较结果进行温度调节，当温差比较大时采用开关量调节，既全速加热和制冷，当温差小时采用PID算法进行调节，最终达到温度的稳定控制。其中，加热采用内置（水中）电加热器实现，热量直接与水传递，加热效果好，控温方便；降温采用半导体制冷片实现。其体积小，安装简单，易于控制，价格便宜，可短时间内反复启动，但其制冷速

率不高，所以设计中配套散热风扇以达到快速降温的目的。

2 .温度控制算法

实际温度控制系统，常采用开关控制或数字PID控制方式。开关控制的特点是可以使系统以最快的素的向平衡点靠近，但在实际应用却很容易造成系统在平衡点附近震荡，精度不高；而数字PID控制具有稳态误差小特点，实用性广泛的特点，但误差较大时，系统容易出现积分饱和，从而份致系统出现很大的超调量，甚至出现失控现象。因此，本设计将开关控制，放积分饱和、防参数突变积分饱和等方法溶入PID控制算法组成复式数字P ID控制方法，集各种控制策略的优点，既改善了常规控制的动态过程又保持了常规控制的稳态特性。

控制算法的确定

温度控制过程为: 当水温温差大时，采用开关控制方式迅速减小温差，以缩短调节时间；当温差小于某一值后采用PID 控制方式，以使系统快速稳定并保持系统无静态误差。在这种控制方法中，PID 控制在较小温差时开始进入，这样可有效避免数字积分器的饱和。PID参数和被控制对象关系密切，要精确得到被控对象模型比较困难，为此，采用离线模糊整定的方法来确定PID参数，即给出一组PID 参数的初值，测得相应的数据，按使这个量减小的方向调节PID 参数，用整定后的参数控制该系统，并根据输出的调节时间、超调量及稳态误差，调节PID参数，如此反复，求得一组使系统性能最优的PID参数。复合PID控制系统方框图如图所示。

控制算法

根据设计要求，系统对1L净水进行加热或降温处理，根据水的对象特性，会出现惯性温度误差问题，原因如下：

温度控制器采用发热丝对水进行加热。发热丝通电加热时，内部温度很高。当容器内水温升高至设定温度时，温度控制器发出信号停止加热。但这时发热丝的温度会高于设定温度，发热丝还将继续对对水进行加热，导致水的温度还会继续上升几度，然后才开始下降。当水温下降到设定温度的下限时，温度控制器又发出加热信号，开始加热，但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定的时间，导致水温会继续下降几度。所以，为了对水温实现精确控制，使温度测量误差在士C内，必须采用PID模糊控

制算法，通过Pvar、Ivar、Dvar （比例、积分、微分）三方面的结合形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。

利用数值逼近方法，在采样时刻t=iT（T为采样周期，i为正整数）时，PID调节规律可通过下式近似计算。

则增量式PID算法的输出量为：

T T.

皿=「叫=+产号（丁 2 J十3 I

式中，ei、ei-1、ei-2分别为第n次、n-1次和n-2次的偏差值，Kp Ti、Td分别为比例系数、积分系数和微分系数，T为采样周期。

单片机每隔固定时间T将现场温度与用户设定目标温度的差值带入增量式PID算法公式，由公式输出量决定PWM方波的占空比，后续加热电路根据此PWM方波的占空比决定加热功率。现场温度与目标温度的偏差大则占空比大，加热电路加热功率增大，使温度的实测值与设定值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差小则占空比减小，加热电路加热功率减少，直至目标值与实测值相等，达到自动控制的目的。

参数的确定

PID参数的选择是设计成败的关键，它决定了温度控制的准确度。由于温度系统是一个具有较大滞后性的系统，所以本系统的采样周期定为10秒，加热周期定为1秒钟，根据一些文献提供的经验值，初步确定Kp=2,

Ti=2,Td二，根据公式Ki= Kp*T/ TI ；Kd =Kp * TD /T ;计算得出

Ki=1,Kd=1;然后，由按键对系统设定一个温度值，在线应用工程整定法中的经验法对P,I,D各参数进行

调整，经验法是一种凑试法，它通过模拟或闭环运行，观察调节过程的响应曲线，如果曲线不够理想，则按某种程序将参数反复凑试，直到调节质量满意为止。凑试程序通常是先比例后积分，

最后加入微分。凑试法整定PID 参数的步骤是：

1）首先进行P 整定。将参数Kp 由小而大慢慢变化，直至得到反应快，超调小的响应曲线。若无静差或静差在允许范围内且响应曲线满意，整定结束，否则继续下步。

2）进行PI 整定。略小于Kp 值，将Ti 由大而小缓慢变化，在保持系统动态性能良好的前提下，消除静差或是静差允许范围内。反复改变

Kp,Ti 值以求得较好效果，若效果满意，则整定结束，否则继续下去。

3）进行PID 整定。略改变Kp,Ti 的值，使Td 由小而大缓慢变化，以求得较好的响应曲线和较小的静差。逐步反复的试凑，直至获得满意效果为止。

对于一定的系统，合理的参数组并不唯一，根据一些文献的实践经验，在具体实施PID 参数整定时，以下几个结论比较实用：1）比例系数Kp是PID调节中最关键的一个参数，Kp增大，系统稳定性增加，但调节灵敏度减弱，一般曲线振荡频繁时，要增大Kp,而曲线飘浮绕大弯时，要减小Kp.

2）积分时间常数Ti 主要起消除静差的作用，减小Ti ，消除静差快, 但稳定性减小,一般曲线偏离恢复慢时,减小Ti, 而曲线波动周期长时,再增大Ki 。

3）微分时间常数Td 是加速过程的有力调节,在加速过渡过程，应增

加Td,Td不宜过小，也不宜太大，Td一般选Ti的四分之

一为最佳

根据以上调节的步骤及调节的方法及经验，经过反复的试验做后得到最终的P,I,D 的参数为Kp=30,Ki=5,Kd=0.

3. 硬件电路设计

水温控制系统的硬件电路主要包括：主控电路、温度采集电路、温控电路和显示电路等，下面依次对各部分进行设计。主控电路主控电路采用STC89C5单片机作为系统控制器，结合数字PID 算法完成对温度测量信号的接收、处理，控制加热器和制冷片，使水温控制达到设计