温室控制系统设计方案

电信学院电子系统设计大赛设班级：***********设计题目：温室控制系统参赛成员：******目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1、 课题相关要求 3\o"CurrentDocument"1设计任务 3\o"CurrentDocument"2功能要求和技术指标 3\o"CurrentDocument"3发挥部分 3\o"CurrentDocument"2、 方案论证 3\o"CurrentDocument"1自动控制系统方案论证 3\o"CurrentDocument"1-1控制器的选择 4\o"CurrentDocument"1-2执行器的选择 4\o"CurrentDocument"2-1-3测量变送器的选择 5\o"CurrentDocument"2人机交互（辅助控制）方案论证 5\o"CurrentDocument"2-2-1 显示电路的设计 5\o"CurrentDocument"2-2-2 键盘输入电路的设计 6\o"CurrentDocument"2-2-3 控制电路电路的设计 7\o"CurrentDocument"2-2-4传感器检测电路的设计 8\o"CurrentDocument"3、 控制算法设计 8\o"CurrentDocument"1PID控制理论 8\o"CurrentDocument"2数字PID控制算法 9\o"CurrentDocument"3数字PID控制算法选定 11\o"CurrentDocument"3-4自动控制方式 12\o"CurrentDocument"4、 系统硬件设计 13\o"CurrentDocument"5、 系统软件设计 14\o"CurrentDocument"6、 方案特色 151、课题相关要求1设计任务设计一套能够自动检测和控制环境温度的装置，该装置能够对环境温度进行设置，能够显示当前的设定温度值和测量温度值，温度可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度变化实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。2功能要求和技术指标温度检测：10°C——80°C,最小区分度0.1°C温度范围可任意设定：20°C 60°C冷却和加热控制：温度静态误差＜=1°C显示被测量的值3发挥部分冷却和加热的有效控制：当设定温度突变时,减小调节时间。2、方案论证1自动控制系统方案论证温室控制系统是一个过程控制系统,在设计的过程中,必须明确它的组成部分。过程控制系统的组成部分有：控制器、执行器、被控对象和测量变送单元,其框图如图1所示。图1过程控制组成框图由图可知，在这个系统的设计中，主要设计如图几个部分。除此之外，根据题目要求，还要选取合适的控制算法来达到系统参数的要求。对于执行器件、测量变送元件将在部分电路设计中有说明。在这个部分我主要是对控制器的确定和控制算法的选择作一个详细的介绍。因为这两部分是实现本系统控制目的的关键。它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣，所以这是一项不容怱视的工作。1-1控制器的选择方案采用89C51单片机实现，此单片机体积小，价格低廉，软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制，下载方便，不需要专用的编程器，可以通过串口直接下载，内部集成了4个定时/计数器，可以产生PWM波形，4组（共32个）I/O可供使用，I/O脚的设置和使用非常简单，通用性强，资源丰富。1-2执行器的选择方案一：选择电热丝为执行器，通过控制电热丝两端的电压来控制，电热丝的温度从来来给周围的空气加热，起到升温的目的，当要降温时则只需降低加热丝两端的温度使周围的空气温度降低来实现降温的目的，此方案的优点是能达到比较高的温度，缺点电热丝从通电到到发热最后到影响环境的温度，存在很大的时间滞后问题，并且电热丝周围的温度和离电热丝较远处的温度并不相同，存在很大的偏差，从而倒是温室内温度不均匀。方案二：选择电扇为执行器，通过控制电扇两端的电压来控制电扇的转速，当温室温度较高时，加大电扇两端电压来提高电扇的转速，从而向温室中鼓入更多的冷空气来降低温室中的温度；当温室温度较低时，降低电扇的转速，减少冷空气的鼓入量，从而将温室温度提高。此方案的优点是控制的温室内的温度比较均匀，控制灵敏；缺点是不能达到很高的温度。方案三：选择两个执行器，分别为电热丝和电扇，当温室温度升高时先通过增大冷空气的鼓入量来降低，若不能达到控制要求，在降低电热丝两端的电压来降低温室温度；当环境温度降低时，先通过减少冷空气的鼓入量来升温，若不能达到控制要求，在升高电热丝两端的电压来提高温室温度。这样就可以综合电热丝和电扇的优点，既可以达到比较高的温度，而且控制灵敏，温室温度控制能比较均匀。比较以上三个方案，我们选择方案三来实现我们的控制要求，方案已在以上论证。2-1-3测量变送器的选择方案一：采用热电阻作为传感器，把热电阻放入温室中，当温室的温度变化时，热电阻的电阻值也会发生变换，通过测量热电阻电阻值的变化来测量温室的温度，此方案虽然能够达到检测环境温度的目的，不过由于热电阻本身的非线性严重，因此会给测量带来很大的误差，并且热电阻接入电路中也会由于电流的热效应从而给测量带来干扰。方案二：采用数字式的温度传感器18B20作为测量变送器，18B20封装小，安装方便，精度高，抗干扰能力强，并且采用单总线结构，和单片机的连接非常方便，只需要一个I/O就可以检测到温室的温度，内部集成了64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器，可以直接读取器内部寄存器的数值从而得到温度，而不需要做A/D采样的转换。比较以上两个方案，我们选择方案二来实现我们的控制要求，方案已在以上论证。2-2人机交互（辅助控制）方案论证为了能够清楚的知道温室中的温度，我们还设计了显示电路，显示当前的温度设定值和检测值，并且设计设定值输入的键盘输入电路，模块图如图2。图2控制系统模块图2-2-1显示电路的设计方案一：采用数码管作为显示器，数码管能够清晰的显示数字，不能显示字符，要显示三位的设定温度值和测量温度值，就得6个数码管，若之间与单片机的I/O连接,则需要14个I/O,占用的较多的I/O口，硬件电路图设计繁琐，并且耗电量大。方案二：采用液晶显示器1602作为显示器，1602不仅能显示数字，还能显示字符显示的范围广，所需要的控制线也少，只需要11个I/O就可以轻松的控制，且电路设计简单，编程方便，显示清晰可靠，耗电量小。1602显示器如图3所示。图3 1602显示电路设计比较以上两个方案，我们选择方案二来实现我们的控制要求。2-2-2键盘输入电路的设计要输入0——9（共10个数字）和小数点，因此我们设计出4*4的矩阵键盘，来实现对设定值的输入。4*4的矩阵键盘如图4所示。

8520-ABcD<TEXT>8520-ABcD<TEXT>图44*4的矩阵键盘2-2-3控制电路电路的设计由于该方案中用到电机和电热丝，电热丝需要220V供电，而电机需要直流电，且所要求的电流较大，故选择ULN2003为电机的驱动芯片，为电机提供较大的电流，而电热丝则通过间断控制继电器的通断（PWM脉宽调制技术）来控制它两端的电压，从而控制它的温度。其硬件设计电路图如图5所示。2”|尺1」P3.2/INT0P3.3/INTTP3.4fT0P3.5/T1P3.6M/RP3.7/®■1213■1415'■17L■R1< 2”|尺1」P3.2/INT0P3.3/INTTP3.4fT0P3.5/T1P3.6M/RP3.7/®■1213■1415'■17L■R1< b蘇EXT〉<TEX7AU3电热络* 1、卜220V )■h||~<aaJ—COM■IE1C2B2C犯3C4B4C5B5C6E6C了E7CULN2003A<TEXT>■1・2■~~V2~^o*继电器图5电机和电热丝驱动电路图2-2-4传感器检测电路的设计本方案采用的是18B20数字温度传感器，此温度传感器的测温电路非常简单，其采用的但总线结构，因此只需要单片机的一个I/O就可以控制。其硬件电路图如图6所示。3、控制算法设计1PID控制理论PID在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有结构简单、易于理解和实现，且一些高级控制都是以PID为基础改进的。在工业过程控制中90%以上的控制系统回路具有PID结构，在目前的温度控制领域应用十分广泛，即使在科技发达的日本，PID在其温度控制应用中仍然占80%的比例。其主要构成如图5所。由图7可知PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值w与实际输出值y进行比较构成偏差图7模拟PID控制

3-1)并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为：u(t)=Ke(t)+ je(t)dt+T (3—2)p T ddti其中K———为调节器的比例放大系数pT———为积分时间常数iT———为微分时间常数d2数字PID控制算法3—3)3—4)3—5)由于计算机控制是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，3—3)3—4)3—5)t=kTj(t)〜T工e(jT)=T为e(j)0j=0 j=0de(t)e(kT)一e[(k一1)T]e(k)一e(k一1)—dt T T其中，T为采样周期，e(k)为系统第k次采样时刻的偏差值，e(k一D为系统第(k一D次采样时刻的偏差值，k为采样序号，k=°丄乙…。将上面的(3—4)式和(3—5)式代入(3—2)式，则可以得到pid调节器的离散化表达式为：TOC\o"1-5"\h\zTk Tu(k)=Ke(k)+为e(j)+旷[e(k)一e(k一1)] (3一6)p T Tij=°如果采样周期T足够小，该算式可以很好的逼近模拟PID算式，因而使被控过程与连续控制过程十分接近。通常把(3—6)式称为PID的位置式控制算法。若在(3—6)式中，令：K=— (积分系数)iTiK=仃 (微分系数)dT则 u(k)=Kek)IE eHj' K[e—k€k1)] (3一7)p i dj=0(3—7)式即为离散化的位置式PID控制算法的编程表达式。可以看出，每次输出与过去的所有状态都有关，要想计算u(k)，不仅涉及e(k)和e(k-1),且须将历次e(j)相加，计算复杂,浪费内存。下面，推导计算较为简单的递推算式。为此，对(3—7)式作如下的变动：考虑到第(k—1)次采样时有：TOC\o"1-5"\h\zTk—1 Tu(k一1)=Ke(k一1)+Ee(j)+旷[e(k一1)一e(k一2)] (3—8)p T Tij=0使(3—6)式两边对应减去(3—8)式，得式，得：TTu(k)一u(k一1)=K[e(k)一e(k一1)]+e(k)+d[e(k)一2e(k一1)+e(k一2)]p T Ti整理后得TTu(k)=u(k一1)+K[e(k)一e(k一1)]+e(k)+旷[e(k)一2e(k一1)+e(k一2)]p T TiT=u(k一1)+(K+ +pTiT 2T T矿e(k一2)旷)e(k)一(K +Tp—旷)e(k—1)+TT=u(k一1)+ae(k)一ae(k一1)+ae(k一2)(3—9)012其中：TTa=(K+—+—a-)=(K+K+K)0 pT Tpid10/15TOC\o"1-5"\h\z2T Ta=(K+—d)=(K+2K)a =K1pTpd2Td(3—9)式就是PID位置式得递推形式。如果令人u(k)=u(k)-u(k-1))则Au(k)=ae(k)-ae(k-1)+ae(k-2) (3_⑹式中的a,a,a同(3—9)式中一样。012因为在计算机控制中，a,a,a都可以事先求出，所以，实际控制时只须获得e(k八012e(k-1)、e(k-2)三个有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制输出对应执行机构的位置的增量，故(3—10)式通常被称为PID控制的增量式算式。可见温度PID调节器有三个可设定参数，即比例放大系数K、积分时间常数K、微pi分时间常数K。因此，通过整定调节三大参数即可控制系统运行状况。dPID控制器各校正环节的作用如下：比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，T越大，积分作用越弱，反之则越强；i微分环节能够反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并且能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。在实际使用中,在满足生产过程需要的前提下,应尽量选择简单的调节器,这样,既节省投资,又便于维护.常规PID控制调节器是一种应用广泛技术成熟的控制方法，它能满足一般工业控制的要求，其优点是原理简单、使用方便、适应性广。采用PID控制，控制效果的好坏很大程度上取决于PID三个控制参数的确定。对一个控制系统而言，只要参数选择适当,都能取得较好的控制效果。3数字PID控制算法选定位置式PID控制算法每次输出与整个过去状态有关，算式中要用到过去偏差的累加值工e(j)，容易产生较大的累计误差。而增量式PID控制算法中只须计算增量，算式中不需要累加，控制增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，当存在计算误差或者精度不足时，对控制量的影响较小，且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。因此，本系统选用增量式PID控制算法，即利用式人u(k)=a0e(k)-aie(k-1)+a2e(k-2)编写控制算法。3-4自动控制方式为了实现温度的自动控制，必须要组成一定的系统结构。如图8，该控制系统是把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定量进行比较(综合)，并利用控制器形成的控制信号通过执行机构对控制对象进行控制，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，减小输出量的误差，达到控制目的。在此控制系统中单片机就相当于常规控制系统中的运算器控制器，它对过程变量的实测值和设定位之间的误差信号进行运算然后给出控制信息。单片机的运算规则称为控制法则或控制算法。图8自动控制框图常用的控制算法有以下几种经典的比例积分微分控制算法。根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法。根据模糊集合理论得到模糊控制算法。自适应控制、最优控制方法以及模糊控制算法是建立在精确的数学模型基础上的，在实时过程控制中，由于控制对象的精确数学模型难于建立，系统参数经常发生变化，运用控制理论进行综合分析要花很大代价，主要是时间。同时由于所得到的数学模型过于复杂难于实现。在实时控制系统中要求信号的控制信号的给出要及时，所以在目前的过程控制系统中较少采用自适应控制、最优控制方法和模糊控制算法。目前在过程控制中应用较多的还是PI控制算法、PD控制算法和PID控制算法。

4、系统硬件设计系统的基本组成如图9,系统以单片机为核心，通过单片机实现PID控制算法和PWM技术来控制温控设施（电热丝和电风扇）对现场温度的影响，同时将计算所得的温度值送显示器显示，另外，通过键盘实现给定温度值的输入，方便了人机交互系统