温度控制系统

1、自动控制原理课程设计论文温度控制系统摘 要 本文中设计一个基于PI控制算法的水温闭环控制系统，温度测量范围从0100 ，输出电压05V, 温度控制范围为40100，测量的精度为1，超调量小于10%，温度测量采用PN结，实验结果表明，本系统能较好地控制水温，满足我们的要求。关键词：继电器；水温控制系统；STC89C51;DS18B20Abstract A water temperature closed loop control system based on the automatically optimizing PI algorithm，temperatures measurement r

2、ange is 0 -100 , and the output voltage range is 05V，the range of temperature control is 4090, the accuracy error is within 1 . the overshoots smaller than 10%， The temperature signal was captured by sensor PT_1000, Experiment showed that,the system could control water temperature precisely.Key word

3、s： emperature control system；closed loop； PI controller；1、题目及要求：51.1 题目：温度控制系统设计51.2 设计要求：51.3 主要设备和芯片52、设计原理：62.1 系统设计主要原理62.2系统框图：62.3 各模块功能电路原理：72.3.1 NE555产生三角波的电路72.3.2 PN结测温电路92.3.3偏差处理信号电路：92.3.4 控制信号产生电路：112.3.5：系统建模及控制器PI122.3.6可控硅执行控制电路：153、系统调试173.1 NE555产生1HZ电路173.2传感器测量电路部分调试：173.3偏差处理信

4、号电路：173.4控制信号产生电路173.5 PI控制电路183.6可控硅控制电路184、数据处理和分析194.1系统测量数据:194.2测量数据对比分析：195、结论：206、心得体会217、参考文献228、附录231、题目及要求：1.1 题目：温度控制系统设计用PN结和继电器实现模拟电路的温度控制系统。 1.2 设计要求：（1）、 能实现温度从0100测量，PN结测量电压对应为0V5V；（2）、 要求控制范围为40100； （3）、 误差为+1（+0.05V）； （4）、 系统超调量10。1.3 主要设备和芯片（1）、，+5V,12V和-12V电源（2）、MOC3021和BTA08双向可控

5、硅，PT1000温度传感器（3）、LM393 1片,LM358 5片及NE555 1片（4）、数字示波器和普通万用表 （5）、水银温度计（最小刻度2）2、设计原理：2.1 系统设计主要原理控制器执行器受控对象传感器×本系统中应用的是运放来组成的模拟控制电路，所以对电路设计的较好地用PN结作为我们测量温度，将测量温度0100转化为测量电压0V5V，将测量电压和给定电压（给定温度相比较）得测目前的误差值，将通过误差控制电路将误差转换为继电器的控制脉冲信号来决定加热的平均功率，来完成温度控制。 图1、 系统基本组成部分2.2系统框图：（1）、温度控制闭环系统框图为了能够实现温度控制，结合自

6、动控制原理的相关知识，我们分析实际情况后所设计的主系统框图如下：调功电路PWM设定电压05V控制器 PI温度测量（0100），对应电压（05V）× 图2 、 系统框图（2）、热得快功率调节电路框图：NE555放大比较器MOC3021双向可控硅0-5V5V 为了能够实现设计要求及达到较好的控制效果，引入了以NE555谐波振荡电路为主的PWM调功电路，其电路框图如下- 图3 电路框图（3）对象模型：一般对水温控制来说，水温控制系统模型为一阶滞后环节，其对象模型一般为：KpTiS+12.3 各模块功能电路原理：2.3.1 NE555产生三角波的电路功能：利用NE555产生1HZ的三角波在电

7、路设计中，我们利用NE555作为多谐振荡器的原理，用NE555来作三角波的发生器。电路设计如下：电路上电后，2脚为低电平，此时对电容C1充电，2脚电压在缓慢上升。当电压达到2/3电源电压时，NE555电路翻转，2脚为高电平，电容放电，2脚电压在缓慢下降。这样，就形成了三角波 图4、NE555时基电路NE555产生的三角波的最大幅值为Vcc2/3,为了能获得05的电压输出，适用LM358进行衰减处理，在此过程中，可以调节R4，使此电路的输出符合要求值图5、555电路产生的三角波仿真波形2.3.2 PN结测温电路功能：实现温度0100转换成0V5V电压电路图设计如下： 图6、PN结测量电路温度测量

8、电路我们采用PN结，把温度0100转换成0V5V电压，我们采用电桥平衡的接法，通过温度到电压的转换，再把信号进行发大！2.3.3偏差处理信号电路：功能：实现给定值和测量值之间的差值，以及将差值处理成为原系统的控制信号，如果接入PI控制器环节，则后级电路不需要接入系统中，并将前级电路的放大倍数调整为1：1，以方便调节PI的比例参数； 图7、偏差处理信号电路 图8、偏差处理信号仿真电路2.3.4 控制信号产生电路：功能：555产生的三角波通过LM393来与给定的控制电压值进行比较，输出可控的控制PWM控制信号来控制热得快的加热。电路设计如下： 图9、比较器电路LM393是双比较器。电路中，NE55

9、5OUT是来自555的三角波时基信号，VV+in是来自原系统的V+in或是PI的输出，VV+in与555产生的三角波比较而得到方波信号，以此作为继电器电路的控制电压。LM393电压比较器的输出端电压如下图所示： 图10、比较器电路输出波形2.3.5：系统建模及控制器PI我们为了找到合适的控制器，我们对原系统测得的数据进行建立数学模型：由于原系统是一阶滞后模型，则其传递函数可以写为：G(S)= Kp/(TmS+1),其中上式：电动机与发电机的传递系数： k=,时间常数:Tm=由开环的曲线数据可将传递函数表达为G(s)=1/(240S+1),用MATLAB来进行仿真如下：图11：原系统开环阶跃相应

10、曲线可见仿真的波形与系统实际的波形很类似，可以用该数学模型表示该开环系统，根据开环系统的数学模型设计闭环PI控制器。为了达到温度的控制精度要求，电路中需要引入PI控制器（比例积分），下图即为典型的PI控制器。PI控制器中比例调节对于偏差是即时反应的，偏差一产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着减少偏差的方向变化，控制作用的强弱取决与比例系数K。比例调节器虽然快，但对于自身具有平衡性的控制对象存在静差，加大比例系数可以减小静差，但过大时，会使得系统不稳定。为了消除在比例调节中存在的静差，可以在比例调节的基础上加上积分调节。LM358的1脚输出到比较器与NE555产生的三角波比较，以实现对对象的

11、控制。比例积分控制器可以提高一定的系统响应速度，其最主要的特点是提高系统的稳定性，减小系统的稳态误差。系统加入PI控制器后要实现校正后系统满足设计要求，即系统的静态误差为0.05v，系统的超调%<10%，系统的过渡过程时间Ts在开环的基础上减少50%。用MATLAB软件仿真得出的闭环传递函数模型和波形为： 图12：加入校正后系统闭环阶跃相应曲线如图所示:PI的输入信号为给定值与测量值之间的偏差信号，范围是0-+5v比例电阻和积分电阻为2个100k的可调电阻.积分电容为c=47pF. 其中: 积分时间 Ti= R21* C2 比例系数 K= R21/ R22 输出电压: Ui=K(e+1/

12、Ti*e*dt)+U0由此可见，由于电容的积分跟随作用，输出电压和输入e和原来数值U0有关,当原始输入和反馈的结果绝对值相等时，输出结果不再变化从而后边比较器输出也不变。最终的输出电压也会为一个固定值，当二者不相等的时候，输出会增大或减小，从而控制最后电压的输出变化使反馈向e为0的 方向变化，这样就达到了控制的目的。系统的等效环节为： G(s)=K/Ti*【(1+Ti*s)/s】代入K,Ti的值得到PI控制器的传递函数。 图13 PI控制器 图14 PI控制器仿真电路 图13 PI控制器仿真电路波形2.3.6可控硅执行控制电路：功能:利用可控硅的通断来控制热得快加热的平均功率，来控制水温。电路

13、设计如下: 图15、可控硅控制电路本系统的控制对象是水的温度，也就是控制热得快（RL）的加热或不加热。而在RL上是否有电流流过，则取决于MOC3021和TBA08的通断与否，因此其控制电上图路示。从LM393比较器出来的方波电压通过R24加到三极管Q1的B脚上， Q1在电路中起到放大LM393输出信号的作用，MOC3021的内部发光二极管正常工作需要50MA电流，LM393输出的驱动能力不足驱动MOC3021的内部发光二极管，因此可以加反相器或三极管来充当驱动发光二级管的作用。MOC3021的基本应用电路：图16、MC3021基本应用电路在我们设计的电路中：当LM393的1脚为低电平时，Q1不

14、导通，则MOC3021的4、6脚上就没有电压，TBA08就不被触发，也就不导通。相反，当LM393的1脚为高电平时，QD1导通，则MOC3021的4、6脚上出现电压，TBA08就被触发，同时导通，从而RL开始加热。这样高低电平的变化，就达到是控制的要求。3、系统调试 我们通过Protues电路仿真对电路的各个模块进行了仿真，确定电路可行后就将设计电路用Protel99s绘原理图和PCB图，并印制成为电路板。做好板子后不要急着上电，首先用万用表检查一下电路有没有虚焊或短路的。3.1 NE555产生1HZ电路 确定电路无虚焊和短路后，就给电路上电，注意别把电源的正负极接反了，否则会把芯片烧坏！上电

15、后用数字示波器观察NE555的2脚是否是输出三角波，如果三角波产生毛刺则检查电路有无虚焊。调节滑动变阻器把三角波的频率调到1HZ左右！频率调好后通过调节滑动变阻器R4把三角波的幅值调到05V。 3.2传感器测量电路部分调试： 断开与测温电路相接的后续电路，先将PT1000以1K欧的电阻替代，看LM358的1脚输出是不是-5V。再测量7脚输出是不是0V。然后把水烧到100，测7脚输出是不是5V，若不是则调节滑动变阻器R10把电压调到5V，然后再对不同的温度进行校准！在调试过程中我们发现电路中的1K电阻要相当的精密，否则会产生很大的误差。我们原先焊的1K电阻误差太大，测出的数据相差很大。经过仔细检

16、查和电路仿真后，换了误差比较小的1K电阻，再测量数据就比较准确了！我发现传感器的校准是非常重要的一个环节！3.3偏差处理信号电路：将PT1000放在室内，测量测量电路的输出电压，测量第一个差分电路的输出电压是否满足理论值，若不是，分别测量同相和反相输入的电压，看其是否为我们所设定的值，调好第一级之后保留上面的参数，继续调试第二级原系统，一般说来，两级共用运放，第一级没有问题，第二级原系统的问题不大，主要可能出现在电阻上，可能焊进去的电阻阻值不正确才会出现问题。3.4控制信号产生电路 前面我们已经调好了三角波的波形，此时我们只需要接入原系统看看LM393比较器的1脚输出是不是我们想要的方波！3.

17、5 PI控制电路 把PI接入系统后，由于我们考虑到系统的稳定性，我们把PI控制器的比例系数通过调节两个可调的滑动变阻器达到最佳的效果，经过不断的测量，我们发现当电容的值为47pF时，系统的调节时间和超调量都大大得到改善，达到我们的要求！3.6可控硅控制电路此部分电路需要接入交流电，故先要我们加倍小心，我们使用硅胶把电路封起来，以免不小心电路漏电。在3.5步骤之后，将比较器输出的方波接入可控硅电路，利用示波器测量三极管C级的波形，若和LM393输出一样，则说明MC3021正常工作。4、数据处理和分析4.1系统测量数据: 电路原理图，原系统温度调节测量数据和PI接入后系统测量数据如图所示（如报告后

18、面所示）。4.2测量数据对比分析： 在原系统中，温度调节时间需要相当长的一个过程，这是因为原系统的执行控制信号与给定值和测量值之间的偏差是一一对应的关系，在实际的测量中我们还发现随着温度的越来越大，会开始逐渐出现静差。加入PI控制环节之后，我们不仅增加了比例环节，改变了系统的执行控制信号和给定值和测量值之间的关系，使得调节时间大大减少，还加入了积分环节，跟随误差的变化，当出现突变时，由于积分的作用，可以达到消除静差的目的。5、结论：此水温控制系统应用到了比较多的模拟电路方面的知识，我们查阅了很多模拟电路方面的知识，综合了自动控制原理的相关知识，实现了PI控制器对一阶滞后环节的校正控制。6、心得体会 在这次课程设计过程中，我们学到了很多的知识！比如模拟电子方面的知识和自动控制方面的知识！两者的结合实现了对一阶滞后模型的水温控制。同时也提高了我们动手能力电子技能。在电路调试的过程中，由于我们使用了误差比较大的1K电阻，使得测量的数据产生很大的误差，后来经过仔细检查和电路仿真后知道确实是在1K电阻这里出了问题！换上误差比较小一点的电阻后，测量得到的数据和理论的数据