水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 1、任務(wù)：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)?？刂茖?duì)象為1L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(diǎn)，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)（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(shí)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(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)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(shí)，自動(dòng)打印水溫隨時(shí)間變化的曲線。 3、題目分析系統(tǒng)功能：基本部分：即為一個(gè)具有人工設(shè)定溫度；能實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度；當(dāng)受控對(duì)象的溫度受外界影響，而發(fā)生較小且緩慢變化時(shí)，能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)受控對(duì)象的恒溫控制；并能實(shí)時(shí)顯示溫度。從性能指標(biāo)來(lái)看，基本部分的溫度控制精度不高，調(diào)節(jié)時(shí)間不受限制。發(fā)揮部分：主要在以下幾個(gè)方面增加了難度：a、測(cè)溫和保溫的精度由1℃提高到0.2℃；b、外界對(duì)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(shí)”，要求要能減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量； c、增加了實(shí)時(shí)打印時(shí)間水溫曲線的功能。三個(gè)發(fā)揮題的a主要是傳感器的要求要提高；b的實(shí)現(xiàn)要求控溫算法必須采用比例微分積分PID控制，否則，無(wú)法縮短調(diào)節(jié)時(shí)間減小超調(diào)量；要完成打印功能，除了要設(shè)計(jì)好時(shí)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(cè)溫電路顯示驅(qū)動(dòng)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(cè)溫電路測(cè)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(cè)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(cè)溫電路。AD590將溫度轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)；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(hào)(0v)，其反相輸入端由AD590經(jīng)分壓電路提供測(cè)量電壓信號(hào)；反復(fù)調(diào)整兩個(gè)可變電阻，并經(jīng)過(guò)溫度標(biāo)度，使得電路在40℃時(shí)輸出為0mv,90℃時(shí)為100mv，以滿足題目對(duì)測(cè)量范圍和精度的要求。 測(cè)溫電路原理框圖AD581控制器A/DAD590 幾個(gè)問(wèn)題：A、溫度標(biāo)定，獲取標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)；B、A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)確定。由于（90-40）/0.2=250級(jí)，8位A/D轉(zhuǎn)換器即可獲得255級(jí)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(duì)水用電爐進(jìn)行加熱，功率較大；同時(shí)，還要能對(duì)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(dòng)電路，是用小信號(hào)控制大電流，并實(shí)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(dòng)時(shí)的交流過(guò)零檢測(cè)問(wèn)題，可參考教材P.113的說(shuō)明。 5.3、控制器的設(shè)計(jì)控制器的工作原理測(cè)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(jì)5.3.1用CPLD/FPGA設(shè)計(jì)控制器的算法流程圖：R1測(cè)量值R3R1-R2y計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)LED數(shù)碼管輪流顯示驅(qū)動(dòng)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(cè)溫電路、設(shè)溫鍵盤控制指令停止計(jì)時(shí)計(jì)時(shí)器清零MUX 5.3.2用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制器 5.3.3控制算法⑴、調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，在擾動(dòng)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(guò)多長(zhǎng)時(shí)間回到設(shè)定值上來(lái)，這不僅與過(guò)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(hào)，e為比較器送來(lái)的偏差信號(hào)。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(shí)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(jiǎn)單、實(shí)用，對(duì)各種控制對(duì)象具有非常廣泛的適用性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間常數(shù)大，常用PID控制方式。所以，在本設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)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(duì)E進(jìn)行限幅，大于某一值時(shí)，停止E的累加。 6.通信電路