基于恒温源的温度控制仿真研究

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1、温度控制仿真研究--基于恒温源自动化093尚国伟2009023316　51.温控原理及器件说明温度是工业中的一个非常重要的参量,是工业生产和科学实验中的重要参数,它在电子、化工、冶金、医药、航空等领域里,温度在产品的测量、制备、分析等很多方面起着很重要的作用,它的高低直接影响到许多产品的质量及使用寿命。同时,没有有效办法控制的温度会给工业样品的环境带来不确定性,给样品的分析带来困难,因而研究和设计高性能的温度控制系统具有非常重要的意义。但是因为温度的迟滞性以及易受外界干扰等特性给温度的控制带来了很大的困难。现在温度的控制多采用反馈控制的方法，这样可以极大

2、的提高温度控制的精度以及响应速度。目前,由于单片机具有体积小、价格低廉、可靠性高等特点，单片机已普遍地应用于生产过程的自动控制领域中。本次的温度控制系统就是以单片机作为控制核心进行设计的，并且通过外围搭建设硬件电路来实现温控的采集、显示和控制。该电路的核心主要是温度源、温度采集模块、AD转换电路、以及智能调节仪。其控制流程图如下：温度源我们采用的是一个相对密闭箱比较好的可调温度源。它是一个小铁箱子，内部装有加热器和冷却风扇；加热器上有二个测温孔，加热器的电源引线与外壳插座(外壳背面装有保险丝座和加热电源插座)相连；冷却风扇电源为+24ｖDC，它的电源引

3、线与外壳正面实验插孔相连。温度源外壳正面装有电源开关、指示灯和冷却风扇电源+24ｖ5DC插孔；顶面有二个温度传感器的引入孔，它们与内部加热器的测温孔相对，其中一个为控制加热器加热的传感器Pt100的插孔，另一个是温度实验传感器的插孔；背面有保险丝座和加热器电源插座。温度的采集是通过Pt100热电阻实现的。当温度源的温度发生变化时温度源中的Pt100热电阻(温度传感器)的阻值就会发生变化，将电阻变化量作为温度的反馈信号输给智能调节仪，经智能调节仪的电阻——电压转换后与温度设定值比较再进行数字PID运算输出可控硅触发信号(加热)或继电器触发信号(冷却)，使温

4、度源的温度趋近温度设定值。智能温湿度调节仪是以单片机为核心，它将来自温度检测部分的4～20mA电流信号，通过运算、处理，显示湿度值，另一方面还可以根据实际需要决定是否有温度的输出。其原理框图如下：热敏电阻PT100的电阻值变化通过AD转换器转化为4～20mA的电流信号，把电流信号转换为电压信号后经过智能温度调节仪的运算和处理，输出PID控制信号，触发或关闭继电器，控制恒温源的冷却风扇调节温度。然后将温度再读入、运算、处理，输出反馈控制信号，形成闭合的反馈控制回路。2.智能温度调节器的参数设置智能温度调节器是一个综合的系统，它具有显示功能和PID调节功能

5、。智能温度调节器主要是通过调节PID参数输出一个PWM脉冲，调节继电器的长关长闭，从而控制温度源的冷却系统（风扇）的开启和关闭。其原理图如下：5其中PID的参数比较复杂，所以采用自整定方式自动调节即控制方式AT选择1（人工智能调节PID参数）。需要手动设定的参数主要是期望的温度值即温度上限（HIAL）、偏差。PID参数的自省定指的就是当被控对象特征发生变化时，立即使PID控制参数随之做出相应的调整，使得PID控制器具有一定的“自调整”或“自适应”能力。2.结果分析将电路图接好，设定好参数，观察温度的输出值可以发现温度最终会稳定在期望值附近，稳态误差为设置

6、好的偏差。当偏差设计的很小时，系统最终很难稳定，因为由于系统自身的参数影响使得输出不可能达到理论要求的那么精确，这就要求我们将期望值设计在合理的范围内并将强系统内部参数的优化处理。另外，当偏差过小时会使得系统的过渡过程非常缓慢，调整时间非常长，虽然精度很高但快速性太差；而当系统的精度要求降低时虽然能够提高系统的快速性，但系统的稳定性明显不满足要求。这就要求我们在这两个互相矛盾的参数中折中选择，在误差允许的范围内既能够使系统快速的达到稳态值又能够满足一定的精度要求。电路图如下图：55