水温自动控制系统

自动化工程学院创新实验室水温自动控制系统参与人：指导老师： 水温自动控制系统摘要：水温自动控制系统在工业及日常生活中应用广泛，在生产和生活中都发挥着重要作用，如一些现代化车间里，生产特殊产品加工需要在一定的温度才能进行，水产养殖中也要对水的温度进行严格的控制，才能确保达到最好的效果。在居家生活中，我们同样也离不开水温的控制，如电热水器，自动饮水机等，都要用到水温控制。实现水温控制的方法很多，如单片机控制、PLC 控制等等。而其中用单片机实现的水温控制系统，具有可靠性高、价格低、简单易实现等众多优点。单片机用于工业控制是近年来发展非常迅速的领域，现在许多自动化的生产车间里，都是靠单片机来实现的。温度是工业控制对象主要被控参数之一，在温度控制中，由于受到温度被控对象特性（如惯性大、滞后大、非线性等）的影响，使得控制性能难以提高，有些工艺过程其温度控制的好坏直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。为了实现高精度的水温测量和控制，本文介绍了一种以 stm32 32 位单片机为核心，以 PID 算法控制以及 PID 参数整定相结合的控制方法来实现的水温控制系统，其硬件电路还包括温度采集、温度控制、温度显示、键盘输入以及RS232 接口等电路。该系统可实现对温度的测量，并能根据设定值对温度进行调节，实现控温的目的。关键词：stm32；温度控制；PT100；PIDDesign of Temperature Automatic Control SystemAbstract：The temperature is one of the mainly charged parameters which are industrial control targets. It is difficult to enhance the control performance due to the characteristics of the temperature charged object. Such as inertia, hysteresis and non-linear, etcIts temperature control process will have a direct impact on the quality of the product in some technological process. Therefore it is absolute valuable to design a ideal temperature control system.In order to realize the high accuracy survey and control of water temperature. Systematic core is stm32, which is high-performance 32-bit MCU of Atmel Company. The system unifies PID control algorithm and PID parameter tuning to control the water temperature. Its hardware circuit also includes temperature gathering, temperature control and temperature display, keyboard input and RS232 interfaces. The system can realize to survey the water temperature, and it can adjust the temperature according to the setting value.Keywords：stm32; temperature control; PT100; PID一、引言1.1 课题背景一些价格比较昂贵的观赏鱼，如蝴蝶鱼，银龙鱼等对于温度的要求比较苛刻。随着人们生活水平的提高，这些鱼类在我国的饲养开始兴盛，因此，对饲养环境温度进行恒温控制十分必要。现有的一些温度控制设备，如 HAl68 型的温度控制棒，结构比较简单，一般采取的是开关式的控制，即当测量温度低于设定温度时进行加热，其结果是饲养水域内温度不均，控温效果不理想。1.2 国内外研究现状目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于 20世纪 80 年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。1.3 研究方法本文主要介绍单片机温度控制系统的设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。以stm32为CPU，温度信号由Pt1000 和电压放大电路提供。电压放大电路用超低温漂移高精度运算放大器OP07将温度-电压信号进行放大，用单片机控制SSR固态继电器的通断时间以控制水温，系统控制对象为1升净水，容器为高性能塑料水杯。水温可以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，具有较好的快速性与较小的超调。 二、 系统框架2.1 水温控制系统设计任务和要求该系统为一实验系统，系统设计任务：设计一个水温自动控制系统，控制对象为 1 升净水，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调整，以保持设定的温度基本不变。系统设计具体要求：温度设定范围为 2090；环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差0.5；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；用 12864 显示水温曲线和设定值|、测量值。2.2 水温控制系统部分水温控制系统是一个过程控制系统，组成框图如图 1 所示，由控制器、执行器、被控对象其反馈作用的测量变送组成。控制系统框图除了以上的组成元件以外，还要选择合适的算法以实现所要求的控制精度，以下我会对关键的元件以及电路的确定进行详细的分析。因为它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣。2.2.1 CPU（Computer processing Unit）中央处理器方案一：此方案采用 89S52 单片机实现，89c52 单片机的 AD是采用外置的，单片机处理速度比较低，而且单片机编程软件自由度小，端口较少。方案二，stm32 核心，stm32 有自带的 AD 数模转换模块，此方案简易可行，器件的性价比很高宜采用。此单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。进行数据转换，控制电路部分采用 SSR 固态继电器控制电炉丝的通断此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。总体框图如图 2 所示。制器设计总体框图温度控制采用改进的 PID 数字控制算法，显示采用电脑上位机串口静态显示 pid 调节的占空比,这样更能直观的看到调节程度及调节过程。2.2.2 温度控制系统算法分析系统算法控制采用工业上常用的增量型 PID 数字控制，并且结合特定的系统加以算法的改进，形成了变速积分 PID积分分离 PID 控制相结合的自动识别的控制算法。该方法不仅大大减小了超调量，而且有效地克服了积分饱和的PT100前置放大AD 采集 Stm32按键设置12864液晶显示SSR 固态继电器热电阻影响，使控制精度大大提高。长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如性能成熟应用广泛的 PID 调节器、智能控制 PID 调节器、自适应控制等。此处主要对一些控制器特性进行分析以便选择适合的控制方法应用于改造。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。水温控制系统的控制对象具有热储存能力大，惯性也较大的特点，水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。对于大惯性系统的过渡过程控制，一般可采用以下控制方案：开关量控制 这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态，开通或关断，因此控制过程十分简单，也容易实现；但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易引起反馈回路振荡，控制精度不高；这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。我们采用的是比例微分控制加比例积分微分控制，由于在温度上升的过程中为了减少超调量，我们先采用比例积分微分控制，当温度到一定范围的时候：例如当温度偏差到 0.5 的时候就加上积分控制，这样既能减少超调量，又能积分累加，保持温度调节。 ty图 4 比例控制tyty比例积分控制 图 6 比例积分微分控制方案选择：结合本设计任务与要求，由于水温系统的传递函数事先难以精确获得，因而很难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求；但从以上对控制方法的分析来看，PID 控制方法最适合本例采用：一方面，由于可以采用单片机实现控制过程，无论哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案；另一方面，采用 PID 的控制方式可以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。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与实际输出值进行比较构成偏差，下面是 pid 调节控制过程算法。Set_wendu=chuan_wendu; Measure_wendu=wendu; Ek=Set_wendu-Measure_wendu;/这两个温度值，Set_wendu 来自于键盘的设定值，Measure_wendu 来自于 ADCif(Measure_wendu50.0) if(Set_wendu-Measure_wendu)>1.5|(Set_wendu-Measure_wendu)=-1.5&&(Set_wendu-Measure_wendu)0.2|(Set_wendu-Measure_wendu)=-0.2&&(Set_wendu-Measure_wendu)>=1;ds_in();GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_6);Delay_1us(2);if(teep)GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_6); /写De