水溫控制系統(tǒng)設(shè)計實驗 1、任務(wù)：設(shè)計并制作一個水溫自動控制系統(tǒng)?？刂茖ο鬄?L凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)點，并能在環(huán)境溫度降低時，實現(xiàn)自動控制，以保持設(shè)定的溫度基本不變。2、要求：2.1、基本要求⑴溫度設(shè)定范圍為40--90℃，最小區(qū)分度為1℃，標(biāo)定溫度小于等于1℃；⑵環(huán)境溫度降低時（如用電風(fēng)扇降溫）溫度控制的靜態(tài)誤差小于等于1℃；⑶用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實際溫度。 2.2、發(fā)揮部分⑴采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ?dāng)設(shè)定溫度突變（由40℃提高到60℃）時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量；⑵溫度控制的靜態(tài)誤差小于等于0.2℃；⑶在設(shè)定溫度突變（由40℃提高到60℃）時，自動打印水溫隨時間變化的曲線。 3、題目分析系統(tǒng)功能：基本部分：即為一個具有人工設(shè)定溫度；能實時檢測溫度；當(dāng)受控對象的溫度受外界影響，而發(fā)生較小且緩慢變化時，能自動實現(xiàn)對受控對象的恒溫控制；并能實時顯示溫度。從性能指標(biāo)來看，基本部分的溫度控制精度不高，調(diào)節(jié)時間不受限制。發(fā)揮部分：主要在以下幾個方面增加了難度：a、測溫和保溫的精度由1℃提高到0.2℃；b、外界對溫度的影響由“較小且緩慢變化”改成“突變”，即“當(dāng)設(shè)定溫度突變（由40℃提高到60℃）時”，要求要能減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量； c、增加了實時打印時間水溫曲線的功能。三個發(fā)揮題的a主要是傳感器的要求要提高；b的實現(xiàn)要求控溫算法必須采用比例微分積分PID控制，否則，無法縮短調(diào)節(jié)時間減小超調(diào)量；要完成打印功能，除了要設(shè)計好時間水溫曲線的圖像函數(shù)外，還要增加通信電路。 4、電路結(jié)構(gòu)分析：測溫電路顯示驅(qū)動電路控制電路水功率電路加熱電路鍵盤輸入 5、方案論證5.1、測溫電路測溫元件以半導(dǎo)體集成溫度傳感器為佳。他的精度、可靠性都很好，使用方便，是一種適應(yīng)性很廣的通用傳感器。如圖22.2.3以AD590為測溫敏感元件、AD581為高精度穩(wěn)壓器、以及運(yùn)放OP07為核心構(gòu)成的典型測溫電路。AD590將溫度轉(zhuǎn)化為電流信號；運(yùn)放OP07的同相輸入端由AD581提供高穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(0v)，其反相輸入端由AD590經(jīng)分壓電路提供測量電壓信號；反復(fù)調(diào)整兩個可變電阻，并經(jīng)過溫度標(biāo)度，使得電路在40℃時輸出為0mv,90℃時為100mv，以滿足題目對測量范圍和精度的要求。 測溫電路原理框圖AD581控制器A/DAD590 幾個問題：A、溫度標(biāo)定，獲取標(biāo)準(zhǔn)電壓信號；B、A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)確定。由于（90-40）/0.2=250級，8位A/D轉(zhuǎn)換器即可獲得255級的精度，基本可以滿足要求；考慮到留有余量，也可選用10位或12位轉(zhuǎn)換器。 5.2功率電路及加熱方式本系統(tǒng)要對水用電爐進(jìn)行加熱，功率較大；同時，還要能對電爐的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)水溫（恒溫控制）。采用電磁繼電器或光耦合可控硅的功率驅(qū)動電路，是用小信號控制大電流，并實現(xiàn)功率控制的常用電路。教材P.112的圖22.2.7和圖22.2.8即為這種典型的功率電路。雙向可控硅驅(qū)動時的交流過零檢測問題，可參考教材P.113的說明。 5.3、控制器的設(shè)計控制器的工作原理測量值±⊿控制算法控制指令執(zhí)行器（功率電路、加熱爐）水比較設(shè)定值 5.3、控制器的設(shè)計5.3.1用CPLD/FPGA設(shè)計控制器的算法流程圖：R1測量值R3R1-R2y計時器開始計時LED數(shù)碼管輪流顯示驅(qū)動電路控制算法開始R2設(shè)定溫度R3≤0.2？n執(zhí)行器（功率電路、加熱爐）掃描測溫電路、設(shè)溫鍵盤控制指令停止計時計時器清零MUX 5.3.2用單片機(jī)設(shè)計控制器 5.3.3控制算法⑴、調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律一個自動控制系統(tǒng)，在擾動作用和控制作用下，被控質(zhì)量能否回到設(shè)定值上，或以什么樣的途徑，經(jīng)過多長時間回到設(shè)定值上來，這不僅與過程的特性有關(guān)，也與調(diào)節(jié)器的特性有關(guān)。調(diào)節(jié)器的特性，是指調(diào)節(jié)器的輸入與輸出之間的關(guān)系。用數(shù)學(xué)式表示為：C=f(e)c為調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，e為比較器送來的偏差信號。調(diào)節(jié)器的基本控制規(guī)律有位式、比例、積分、微分等四種類型。實際應(yīng)用的控制規(guī)律是這些基本規(guī)律之間的不同組合，即有位式、比例、比例積分、比例微分、比例積分微分PID等。除位式是斷續(xù)式的以外，其他的均屬連續(xù)式控制。 ⑵PID控制算法PID控制算法簡單、實用，對各種控制對象具有非常廣泛的適用性，通過現(xiàn)場的參數(shù)調(diào)試，可以獲得較好的控制效果。尤其是控制溫度，由于容量滯后較大，時間常數(shù)大，常用PID控制方式。所以，在本設(shè)計采用PID控制算法是比較合適的。PID控制算法可以表示為：在本例中，具體算法如下： 在本例中，具體算法如下：式中，u(i)為當(dāng)前功率輸出，T為采樣時間，E為誤差積累，KP為比例常數(shù)，TL為積分常數(shù)，TD為微分常數(shù)。根據(jù)具體情況，在調(diào)試中調(diào)節(jié)3個常數(shù)，可以達(dá)到較好的控制效果。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善控制性能，應(yīng)對E進(jìn)行限幅，大于某一值時，停止E的累加。 6.通信電路