水温控制系统范文

1、水温控制系统 1 2020年4月19日 文档仅供参考 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，经过控制单位时 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（10C70C）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

2、，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，可短时间内重复启动，但其制冷速率不高， 因此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。开关控制的特点是能够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，

3、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PID控制方法，集各种控制策略的优 点，既改进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

4、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，如此重复，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

5、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。因此，为了对水温实现精确控制，使温度测量误差在士 0.5 C内，必须采用PID模糊控制算法，经过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 5 2020 年 4 月 19 日 文档仅供参考 正整数）时，PID调

6、节规律可经过下式近似计算。 则增量式PID算法的输出量为： T 二（耳岂+ 心 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，因此本 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