原创 基于PID的水温控制系统的设计

基于PID的水温控制系统的设计
一、设计任务和主要内容<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

1.基本要求

制作一个水温自动控制系统,控制对象为<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />1L净水,容器为搪瓷器皿.水温可以在一定范围内由人工设定,并能在环境温度降低时实现自动控制,以保持设定的温度基本不变.

2.主要性能指标

① 温度设定范围：<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" />，最小区分度为。

② 在环境温度降低时温度控制的静态误差。

③ 用十进制数码显示实际水温。

3.发挥部分

① 采用适当的控制方法,当设定温度突变(由40℃提高到60℃)时,减小系统的调节时间和超调量。

② 温度控制的静态误差。

③在设定温度发生突变 (由40℃提高到60℃)时,自动打印水温随时间变化而变化的曲线.

二、基于PID的水温控制系统总体框图
主要功能和技术指标分析：按要求需要在一定温度范围内对1L净水按设定温度控制，加热装置为电阻炉。这就需要测得当前水温，与设定值相比较，作出控制策略，再通过一定的执行装置对电炉进行控制。

                     基于PID的水温控制系统总体框图

三、PID控制的基本原理：

  典型控制系统一般包括控制器、被控对象和敏感元件3部分；

在PID控制系统中，控制器为PID控制器。PID控制由反馈系统偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）的线性组合构成，这3种基本控制规律各具有特点：

1、P比例控制：比例控制在控制输入信号e(t)变化时，只改变信号的幅值而不改变信号的相位，采用比例控制可以提高系统的开环增益。改控制为主要控制部分

2、D微分控制：微分控制器对输入信号取微分或差分，微分反映的是系统的变化率，因此微分控制是一种超前预测性调节，可以预测系统变化，增大系统阻尼ε提高相角裕度，起到改善系统动态性能的作用。但是，微分对干扰也有很大的放大作用，过大的微分会使系统振荡加剧。

3、I积分控制：积分是一种累加作用，它记录了系统变化的历史，因此，积分控制反映的是控制过程中历史对当前系统的作用。积分控制往系统中加入了零极点，可以提高系统的型别，消除静差，提高系统的无差度，但会使系统的振荡加剧，超调增大，动态性能降低，故一般不单独使用，而是与PD控制相结合。

PID的复合控制，综合以上几种控制规律的优点，使系统同时获得很好的动态和稳定性能。

PID控制规律的基本输入/输出关系可以用微分方程来表示：

式中，e(t)为控制器的输入偏差信号；Kp为比例控制增益；Ti为积分时间常数；TD为微分时间常数。

相应的传递函数

G(s) =K p (1++T d s)= *

其结构图如下所示：

四、硬件部分

本电路总体设计包括四部分：温度采样和转换电路、主机控制部分（8051）、温度控制电路、数码管显示部分。

1、温度采样和转换电路

温度采温度采样电路的基本原理是采用电流型温度传感器AD590将温度的变化量转换成电流量，再通过UA741将电流量转换成电压量，通过A/D转换器ADC0804将其转换成数值量交由单片机处理。

我们本次设计通过使用AD590的温度传感器，由于AD590具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点。其测量范围在-50℃-- +150℃，满刻度范围误差为±0.3℃，当电源电压在5—10V之间，稳定度为1﹪时，误差只有±0.01℃，其各方面特性都满足此系统的设计要求。此外AD590是温度-电流传感器，对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助。

AD590接口先接一个10K电阻再接地，产生的电压再经过一个运算放大器组成缓冲器，以避免负载效应。再接一个运放把电压放大，然后把放大的电压经过ADC0804将此电压转换成数字信号。其中ADC0804为8位逐次逼近型A/D转换器，其输入电压范围在0—5v，转换速度为100us，转换精度为0.39﹪，对应误差为0.234℃。

以下为电路原理图：

（一）、转换电路：

（二）AD转换部分：

2、温度控制电路

此部分电路主要由光电耦合器MOC3041和双向可控硅BTA137组成。采用脉宽调制输出控制电炉与电源的接通和断开比例，以通断控制调压法控制电炉的输入功率。MOC3041内部集成了发光二极管、过零检测电路和一个小功率双向晶闸管，当单片机PWM输出为1时，MOC3041中的发光二级管发光，由于过零检测电路的同步作用，内部的双向晶闸管在过零后马上导通，从而促使功率双向晶闸管导通，负载有电流通过，反之当单片机PWM输出为0时 ，T截止，负载中没有电流流过。由于负载为电炉，是感性元件，在电路接上了一个C1=0.01uf的电容来矫正零电位。MOC3041光电耦合器的耐压值为400v，它的输出级由过零触发的双向可控硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭控制部分。温度控制部分电路图如下图所示：

3、 单片机控制部分：

                        单片机基本电路

4、数码管显示部分

 使用单片机串行输出，利用SN7448串并转换功能送入数码显示。

五 、软件部分

1、系统软件流程图

                程序控制流程

2、单片机控制部分的程序:

ORG     00H

    MOV    A,#00H

    MOV    DPTR,#WENDU      

    MOVC   A,@A+DPTR

    MOV    30H,A     

    MOV    A,#01H

    MOVC   A,@A+DPTR

    MOV    31H,A

    MOV    32H,#0FFH

    MOV    R1,#70

START:  MOVX   @R0,A

WAIT:   JNB    P2.1,SET0

    JB     P2.0,ADC

    JMP    WAIT

ADC:    MOVX   A,@R0

    MOV    33H,A

    CLR    C

    SUBB   A,32H

    JC     TDOWN

TUP:    MOV    A,33H

    CLR    C

    SUBB   A,30H

    JNC    POFF

    JMP    LOOP

POFF:   SETB   P3.0

    SETB   P3.4

    JMP    LOOP

TDOWN:  MOV       A,33H

    CLR    C

    SUBB   A,31H

    JC     PON

    JMP    LOOP

PON:    CLR    P3.0

    CLR    P3.4

    JMP    LOOP

LOOP:   MOV    32H,33H

    MOV    A,33H

    CALL   L1

    CALL   DISP

    CLR    A

    MOV    R4,#0FFH

    DJNZ   R4,$

    JMP    START

L1:     CLR    C

    MOV    20H,#00H

    MOV    21H,#00H

    MOV    R3,#08H

NEXT:   RLC    A

    MOV    R2,A

    MOV    A,20H

    ADDC   A,20H

    DA     A

    MOV    20H,A

    MOV    A,21H

    ADDC   A,21H

    MOV    21H,A

    MOV    A,R2

    DJNZ   R3,NEXT

    MOV    R7,#02

L2:     MOV    A,20H

    ADD    A,20H

    DA     A

    MOV    20H,A

    MOV     A,21H

    ADDC   A,21H

    DA     A

    MOV    21H,A

    DJNZ   R7,L2

    RET

DISP:   MOV    A,20H

    ANL    A,#0F0H

    SWAP   A

    MOV    22H,A

    MOV    A,21H

    ANL    A,#0FH

    SWAP   A

    ORL    A,22H

    MOV    23H,A

    MOV    P1,A

    MOV    R7,#0FFH

    DJNZ   R7,$

    RET

WENDU:  DB     0E1H

    DB     64H

SET0:   CALL   DELAY

    JNB    P2.1,$

    CALL   DELAY

A2:     CJNE   R1,#0FFH,A1

    MOV    R1,#70

A1:     MOV    A,R1

    MOV    DPTR,#TABLE

    MOVC   A,@A+DPTR

    MOV    P1,A

    MOV    24H,A

    MOV    R5,#4FH

D4:     MOV    R7,#0FFH

D2:     MOV    R6,#0FFH

D1:     JNB    P2.1,SET1

    DJNZ   R6,D1

    DJNZ   R7,D2

    DJNZ   R5,D4

    JMP    KONG

SET1:   CALL   DELAY

    JNB    P2.1,$

    CALL   DELAY

    DEC    R1

    JMP    A2

KONG:   CLR    C

    MOV    A,24H

    SUBB   A,33H

    JNC    OFF

    SETB   P3.0

OFF:    CLR    P3.0

    JMP    START

DELAY:  MOV    R7,#60

D3:     MOV    R6,#248

    DJNZ   R6,$

    DJNZ   R7,D3

    RET

TABLE:  DB     21H,22H,23H,24H,25H,26H,27H,28H,29H,30H

    DB     31H,32H,33H,34H,35H,36H,37H,38H,39H,40H

    DB     41H,42H,43H,44H,45H,46H,47H,48H,49H,50H

    DB     51H,52H,53H,54H,55H,56H,57H,58H,59H,60H

    DB     61H,62H,63H,64H,65H,66H,67H,68H,69H,70H

    DB     71H,72H,73H,74H,75H,76H,77H,78H,79H,80H

    DB     81H,82H,83H,84H,85H,86H,87H,88H,89H,90H

    END

六、测试部分

水温控制系统的主要技术指标为稳态误差,调节时间和超调量%。

测量方式:接上系统的加热装置,装入1000L室温的水,记录调节时间、超调温度、稳态温度波动幅度等。

测量结果：