基于单片机的水温控制系统开题报告

1课题来源及研究的目的和意义

温度是工业控制中的主要被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械石油等工业中，具有举足轻重的作用。随着国民经济的发展，温度控制系统不仅可以广泛应用于工业、农业中，而且还和人们的日常生活息息相关，在工业中，电站锅炉和供热锅炉大量存在，且大多数锅炉处于能耗高、浪费大和环境污染等生产状态，采用温度控制系统就能提高热效率和降低能耗、保护环境。在农业上，温室大棚采用温度控制系统，对于温度的有效控制，不仅可以节省资源而且还可以保证农作物有良好的生长环境，可以有效提高农作物产量。在人们的日常生活中，人们也可以利用温度控制系统去控制洗澡水的温度等，以此来方便人们的生活。随着电子技术的发展和人们生活质量的提高，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化。现代社会中，随着科学技术的进步，温度检测和控制迅速发展，温度控制将更好的服务于社会。目前，单片机控制器用于从生活工具到工业应用的各个领域。

国外温度控制系统也发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。目前社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器分辨率和精度较低，温度控制效果不是很理想，但价格便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较贵。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表．并在各行业广泛应用。

从市场角度看，如果我国的大中型企业将温度控制系统引入生产，可以降低消耗，控制成本，从而提高生产效率。嵌入式温度控制系统符合国家提出的“节能减排”的要求，符合国家经济发展政策，具有十分广阔的市场前景。现今，应用比较成熟的如电力脱硫设备中，主控制器在主蒸汽温度控制系统中的应用，已经达到了世界前进水平。如今，在微电子行业中。温度控制系统也越来越重要，如单晶炉、神经网络系统的控制。因此。温度控制系统经济前景非常广泛，我国的高新精尖行业研究其应用的意义更是更加重大。

2 国外研究现状

温度控制系统在国各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；二是能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的围广泛；五是温控器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；六是具有控制精度高、抗干扰力强的特点。

国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。传统的温度传感器有热电偶、铂电阻热敏电阻等，虽然它们有各自的优点，但是他们需要后续处理电路，而且由于自身的热效应会影响测量精度，可靠性较差，与之相比本设计采用的DS18B20作为测温传感器它具有体积小，一线总线的数字传输方式，可直接向单片机传输数字信号，简化了数据传输与处理过程，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，在一10一+85。C围，测量精度为±0．5。C。

3 PID控制算法原理

3.1 PID控制系统简介

PID控制系统如图3—1所示，D(s)完成PID控制规律，称为PID控制器。PID控制器是一种线性控制器，用输出量y(t)和给定量r(I)之间的误差的时间函数e(t)=r(t)-y(t)的比例、积分和微分的线性组合构成控制量u(t)，称为比例(Proponional)、积分(Integrating)、微分(Differentiation)控制，简称PID控制。

图3—1

PID控制组合了比例控制、积分控制和微分控制这3种基本控制规律。通过改变调节器参数来实现控制。其基本输入输出关系为：

实际应用中．可以根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活采用比例(P)控制器、比例+积分(PI)控制器、比例+积分+微分(PID)控制器3种不同控制组合。

3.2 PID参数控制效果分析

PID控制的3基本参数为Kp、Ki、Kd。，这3项参数的实际控制作用为：

比例调节参数(Kp)按比例反映系统的偏差。增大Kp，系统的反应变灵敏、速度加快、稳态误差减小，但振荡次数也会加多、调节时间加长。在该反馈环中。该值主要影响速度。

积分调节参数(Ki)消除系统静态(稳态)误差，提高系统的控制精度。积分调节会使系统的稳定性下降，动态响应变慢。超调加大。积分控制一般不单独作用，而是与P或者PD结合作用。

微分调节参数(Kd)反映系统偏差信号的变化率，可以预见偏差的变化趋势，产生超前控制作用。因此，微分控制可以提高系统的动态跟踪性能。减小超调量，但对噪声干扰有放大作用。过强的微分调节会使系统剧烈震荡，对抗干扰不利。

常规的PID控制系统中．减少超调和提高控制精度难以两全其美。主要是积分作用有缺陷造成的。如果减少积分作用，静差不易消除，有扰动时，消除误差速度变慢；而加强积分作用时又难以避免超调，这也是常规PID控制中经常遇到的难题。所以在该系统中，对积分参数做了分段处理，已达到理想的效果。

选择制冷或制热后。设定指定温度值；将温度采集的数据接收进来，与设定温度值比较。将差值经过PID算法后计算出进行功率控制的占空比，从而调节温度嘲。其中，PWM波由AVR单片机的定时器产生。在该模式下，寄存器用于控制PWM波频率，其他任意一个寄存器控制占空比，控制灵活，相当方便。控制积分调节参数时，对其采取分段积分PID算法，控制系统超调量。

4 主要研究容