水温控制系统
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图12-1 水温控制系统原理框图
STC 89C52首先写命令给DS18B20， 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，最终达到温度得稳定控制。其中， 加热采用内置（水中）电阻丝实现，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。
12.3.3 PID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：
第12章 水温控制系统
水温控制系统
温度是工业生产和生活中常见的参量之一，及时准确地 得到温度信息并对其进行适当控制的智能化温度控制系 统得到了广泛应用。本水温控制系统采用STC89C52单片 机为核心，利用DS18B20对温度进行采样，实现水温的 实时监测与控制，根据单片机输入温度值与系统给定温 度值的比较结果，采用mos管控制加热器进行升温、降温 控制，并结合数字PID算法，实现温度的高精度自动控制， 系统具有控制方便、简单、灵活性高的特点。
来自百度文库
图12-2 复合PID控制系统方框图
12.3.2 PID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。
? 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12-2所示。
能（降温可用半导体制冷片、升温用800W以内的电加热器）； ? 4）在全量程内任意设定一个温度值（例如起始温度±15℃内），
控制系统可以实现该给定温度的恒值自动控制。控制的最大动态 误差≤±4℃，静态误差≤±1℃，系统达到稳态的时间≤15min（最 少两个波动周期）。
12.2 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（即控制波形的占空比）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 统原理框图如图12-1所示：
12.3 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速度向平衡点靠近，但在实际应用却很 容易造成系统在平衡点附近振荡，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，防积分饱和、防参数突变微分饱和等方法溶入 PID控制算法组成复合式数字PID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。
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。
12.1 技术要求
? 设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升水，容器为搪 瓷器皿。水温可以在一定范围内设定，并能实现在10℃—70℃量 程范围内对每一点温度的自动控制，以保持设定的温度基本保持 不变。
? 基本要求： ? 1）可键盘设定控制温度值，并能用液晶显示，显示最小区分度为
0.1℃； ? 2）可以测量并显示水的实际温度。温度测量误差在±0.5 ℃内； ? 3）水温控制系统应具有全量程（10℃—70℃）内的升温、降温功
STC 89C52首先写命令给DS18B20， 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，最终达到温度得稳定控制。其中， 加热采用内置（水中）电阻丝实现，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。
12.3.3 PID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：
第12章 水温控制系统
水温控制系统
温度是工业生产和生活中常见的参量之一，及时准确地 得到温度信息并对其进行适当控制的智能化温度控制系 统得到了广泛应用。本水温控制系统采用STC89C52单片 机为核心，利用DS18B20对温度进行采样，实现水温的 实时监测与控制，根据单片机输入温度值与系统给定温 度值的比较结果，采用mos管控制加热器进行升温、降温 控制，并结合数字PID算法，实现温度的高精度自动控制， 系统具有控制方便、简单、灵活性高的特点。
来自百度文库
图12-2 复合PID控制系统方框图
12.3.2 PID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。
? 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12-2所示。
能（降温可用半导体制冷片、升温用800W以内的电加热器）； ? 4）在全量程内任意设定一个温度值（例如起始温度±15℃内），
控制系统可以实现该给定温度的恒值自动控制。控制的最大动态 误差≤±4℃，静态误差≤±1℃，系统达到稳态的时间≤15min（最 少两个波动周期）。
12.2 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（即控制波形的占空比）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 统原理框图如图12-1所示：
12.3 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速度向平衡点靠近，但在实际应用却很 容易造成系统在平衡点附近振荡，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，防积分饱和、防参数突变微分饱和等方法溶入 PID控制算法组成复合式数字PID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。
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。
12.1 技术要求
? 设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升水，容器为搪 瓷器皿。水温可以在一定范围内设定，并能实现在10℃—70℃量 程范围内对每一点温度的自动控制，以保持设定的温度基本保持 不变。
? 基本要求： ? 1）可键盘设定控制温度值，并能用液晶显示，显示最小区分度为
0.1℃； ? 2）可以测量并显示水的实际温度。温度测量误差在±0.5 ℃内； ? 3）水温控制系统应具有全量程（10℃—70℃）内的升温、降温功