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（１０℃――７０℃）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８９Ｃ５２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。

2.1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。

2.2PID 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±0.5 ℃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：

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。

2.3PID 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=0.5, 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