《水温控制系统》PPT课件

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1、第12章水温控制系统水温控制系统温度是工业生产和生活中常见的参量之一，及时准确地得到温度信息并对其进行适当控制的智能化温度控制系统得到了广泛应用。本水温控制系统采用STC89C52单片机为核心，利用DS18B20对温度进行采样，实现水温的实时监测与控制，根据单片机输入温度值与系统给定温度值的比较结果，采用mos管控制加热器进行升温、降温控制，并结合数字PID算法，实现温度的高精度自动控制，系统具有控制方便、简单、灵活性高的特点。12.1技术要求设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内设定，并能实现在10℃—70℃量程范围内对每一点温度的自动控制，

2、以保持设定的温度基本保持不变。基本要求：1）可键盘设定控制温度值，并能用液晶显示，显示最小区分度为0.1℃；2）可以测量并显示水的实际温度。温度测量误差在±0.5℃内；3）水温控制系统应具有全量程（10℃—70℃）内的升温、降温功能（降温可用半导体制冷片、升温用800W以内的电加热器）；4）在全量程内任意设定一个温度值（例如起始温度±15℃内），控制系统可以实现该给定温度的恒值自动控制。控制的最大动态误差≤±4℃，静态误差≤±1℃，系统达到稳态的时间≤15min（最少两个波动周期）。12.2设计原理水温控制系统以STC89C52单片机作为控制核心，采用开关控制和PID控制算法相结合，通过控制

3、单位时间内加热时间所占的比例（即控制波形的占空比）来控制水的加热速度，实现对1L水的全量程（10℃—70℃）内的升温、降温功能的自动控制。根据设计要求系统可划分为控制模块、温度测量模块、水温调节模块、键盘输入模块、显示电路模块等。系统原理框图如图12-1所示：图12-1水温控制系统原理框图STC89C52首先写命令给DS18B20，DS18B20开始转换数据，将转换后的温度数据送入89C52进行处理，处理后在液晶屏上实时显示。并将实际测量温度值与键盘设定值进行比较，根据比较结果进行温度调节，当温差比较大时采用开关量调节，既全速加热和制冷，当温差小时采用PID算法进行调节，最终达到温度得稳定控

4、制。其中，加热采用内置（水中）电阻丝实现，热量直接与水传递，加热效果好，控温方便；降温采用半导体制冷片实现。其体积小，安装简单，易于控制，价格便宜，可短时间内反复启动。但其制冷速率不高，所以设计中配套散热风扇以达到快速降温的目的。12.3温度控制算法实际温度控制系统，常采用开关控制或数字PID控制方式。开关控制的特点是可以使系统以最快的速度向平衡点靠近，但在实际应用却很容易造成系统在平衡点附近振荡，精度不高；而数字PID控制具有稳态误差小特点，实用性广泛的特点，但误差较大时，系统容易出现积分饱和，从而份致系统出现很大的超调量，甚至出现失控现象。因此，本设计将开关控制，防积分饱和、防参数突变微

5、分饱和等方法溶入PID控制算法组成复合式数字PID控制方法，集各种控制策略的优点，既改善了常规控制的动态过程又保持了常规控制的稳态特性。控制算法的确定温度控制过程为:当水温温差大时，采用开关控制方式迅速减小温差，以缩短调节时间；当温差小于某一值后采用PID控制方式，以使系统快速稳定并保持系统无静态误差。在这种控制方法中，PID控制在较小温差时开始进入，这样可有效避免数字积分器的饱和。PID参数和被控制对象关系密切，要精确得到被控对象模型比较困难，为此，采用离线模糊整定的方法来确定PID参数，即给出一组PID参数的初值，测得相应的数据，按使这个量减小的方向调节PID参数，用整定后的参数控制该系

6、统，并根据输出的调节时间、超调量及稳态误差，调节PID参数，如此反复，求得一组使系统性能最优的PID参数。复合PID控制系统方框图如图12-2所示。图12-2复合PID控制系统方框图12.3.2PID控制算法根据设计要求，系统对1L净水进行加热或降温处理，根据水的对象特性，会出现惯性温度误差问题，原因如下：温度控制器采用发热丝对水进行加热。发热丝通电加热时，内部温度很高。当容器内水温升高至设定温度时，温度控制器发出信号停止加热。但这时发热丝的温度会高于设定温度，发热丝还将继续对对水进行加热，导致水的温度还会继续上升几度，然后才开始下降。当水温下降到设定温度的下限时，温度控制器又发出加热信号，

7、开始加热，但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定的时间，导致水温会继续下降几度。所以，为了对水温实现精确控制，使温度测量误差在±0.5℃内，必须采用PID模糊控制算法,通过Pvar、Ivar、Dvar（比例、积分、微分）三方面的结合形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。利用数值逼近方法，在采样时刻t=iT(T为采样周期，i为正整数)时，PID调节规律可通过下式近似计算。则增量式PID算法的输出量为：式中，