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温度控制系统设计
温度控制系统设计
摘要:
本文介绍了以单片机为核心的温度控制器的设计,文章结合课题《温度控制系统》,从硬件和软件设计两方面做了较为详尽的阐述。
关键词:
温度控制系统 PID控制 单片机
Abstract:
Thispaperintroducesatemperaturecontrolsystemthatisbasedonthesingle-chipmicrocomputer.ThehardwarecompositionandsoftwaredesignaredescriedindetailcombinedwiththeprojectComtrolSystemofTemperature.
Keywords:
ControlsystemoftemperaturePIDcontrolSingle-chipMicrocomputer
引言:
温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果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。
本文设计了以单片机为检测控制中心的温度控制系统。
温度控制采用改进的PID数字控制算法,显示采用LED静态显示。
该系统设计结构简单,按要求有以下功能:
(1)温度控制范围为20~40°C;
(2)有加热和制冷两种功能
(3)指标要求:
超调量小于2°C;过渡时间小于5min;静差小于0.5℃;温控精度0.2℃
(4)实时显示当前温度值,设定温度值,二者差值和控制量的值。
第一章系统方案论证
1.1总体方案设计
薄膜铂电阻将温度转换成电压,经温度采集电路放大、滤波后,送A/D转换器采样、量化,量化后的数据送单片机做进一步处理;
当前温度数据和设定温度数据经PID算法得到温度控制数据;
控制数据经D/A转换器得到控制电压,经功率放大后供半导体致冷器加热或制冷,从而实现温度的闭环控制。
系统大致可以分为:
传感、单片机处理、控制及温控箱。
图1-1系统总体框图
1.2温度传感系统
换能部分采用了电压电路,这主要考虑了电压信号不容易受干扰、容易与后续电路接口的优势;经过铂电阻特性分析,在要求的温度范围内铂电阻的线性较好,所以不必要增加非线性校正电路;采样电压再经过高精度电压放大电路和隔离电路之后输出;另外,由于高精度的需要,电路对电源要求较高,所以采用稳压电源电路的输出电压,并且需要高精度运放。
因为温度变化并不是很快,所以电路对滤波器的要求并不高,这里采用了一阶滤波即可满足要求。
1.3温度控制系统及系统电源
1.3.1温度控制系统
温度控制系统需要完成的功能为:
D/A转换器输出的电压控制信号,经过电压放大,再通过功率单元提高输出功率后,控制半导体制冷器件加热或制冷。
故此子系统可分为电压放大、功率输出两部分。
D/A转换器输出的电压控制信号经过电压放大、功率放大后,给两片半导体制冷器件供电。
另外单片机还输出一个用来控制是加热还是制冷的控制信号。
功率放大电路采用LM33稳压芯片,可承受高输出电流,且Vout端输出电压与Vadj端的电压差保持不变的特点,可将控制信号利用运放方向放大后,输入至稳压芯片的Vadj端,输出信号的电压范围和功率放大至合适的大小。
具体设计为D/A输出的控制信号,经上述处理,在Vout端利用继电器,由单片机输出的加热制冷控制信号控制继电器的闭合方向,改变半导体器件的电流方向,从而控制加热或制冷。
1.3.2系统电源
本设计需要供电的部分有温度采集部分须有基准电压+5V供电,单片机处理系统的数字电路部分需要+5V的电源,而实验室的5V电源会有纹波,故采用稳压芯片LM317自行设计,电路如图,调节可变电阻,即可得到所需的电压。
其中可变电阻R1是起到分压得作用,避免在LM317上的压降过大,否则LM317发热,会使电压不稳。
1.4单片机处理系统及温控箱设计
1.4.1单片机系统
单片机系统结构如下:
模数部分将传感信号量化为8位二进制数,并将其送入最小系统板;
控制层调用PID算法,计算出控制量,同时提供人机交互;
数模部分将控制量转换为模拟电压,送入温度控制部分。
最小系统板与外部数字电路部分(包括A/D、D/A、外部中断源信号等)的通信参照了微机原理与接口实验中的实验箱电路的连接方法。
调用PID算法的中断采用的是内部定时器,可以简化外围电路。
1.4.2温控箱设计
我们用实验室提供的材料自己设计制作了温度控制箱体。
控温箱为正方体铝箱,在其中相对的两个内侧表面用导热硅胶粘贴了半导体致冷材料而成。
为提高箱体绝热性能,在除了粘有半导体材料之外的其他内表面,都贴有保温塑料层,为加强密闭性,尽量减少控制箱腔内体积,又要露出全部的半导体制冷片,我们采用的是“工字形”方案,即:
将填入铝箱的保温塑料层做成一个无接缝的整体,相对的半导体制冷片的两侧挖空,露出其全部面积,中间留有一个很小的腔体作为温度控制的空间(插入热敏电阻与标准表探头)。
我们采用将箱体放入冷水中的方法解决温控箱的散热问题。
1.5PID算法原理
1、基本PID算法
其中
Vo和V(t)都是八位二进制数,用一个字节存储。
在上述公式中,存在差项,需要用补码来表示负数。
所以必须用最高位作为符号位,Vo和V(t)用8位表示显然是不够的。
处理方法是在Vo和V(t)前面补一个值为零的字节,以两字节来表示,运算的最终结果结果取8位有效位。
基本的PID算法,需要整定的系数是Kp(比例系数),Ki(积分系数),Kd(微分系数)三个。
这三个参数对系统性能的影响如下:
(1)比例系数Kp
①对动态性能的影响比例系数Kp加大,使系统的动作灵敏,速度加快,Kp偏大,振荡次数加多,调节时间加长。
当Kp太大时,系统会趋于不稳定,若Kp太小,又会使系统的动作缓慢;
②对稳态性能的影响加大比例系数Kp,在系统稳定的情况下,可以减小静差,提高控制精度,但是加大Kp只是减少静差,不能完全消除。
(2)积分系数Ki
①对动态性能的影响积分系数Ki通常使系统的稳定性下降。
Ki太大,系统将不稳定;Ki偏大,振荡次数较多;Ki太小,对系统性能的影响减少;而当Ki合适时,过渡特性比较理想;
②对稳态性能的影响积分系数能消除系统的静差,提高控制系统的控制精度。
但是若Ki太小时,积分作用太弱,以致不能减小静差。
(3)微分系数Kd
微分控制可以改善动态特性,如超调量减少,调节时间缩短,允许加大比例控制,使静差减小,提高控制精度。
但当Kd偏大或偏小时,超调量较大,调节时间较长,只有合适的时候,才可以得到比较满意的过渡过程。
对系数实行“先比例,后积分,再微分”的整定步骤。
(1)首先只整定比例部分。
即将比例系数由小到大,并观察相应的系统响应,直到得到反应快,超调小的响应。
(2)加入积分环节。
整定时首先置积分系数Ki一个较小的值,并将第
(1)步中整定的比例系数略为缩小(例如缩小为原值的0.8倍),然后增大Ki,使在保持系统良好动态性能的情况下,静差得到消除。
在此过程中,可根据响应的好坏反复改变比例系数与积分系数。
(3)若使用比例积分调节器消除了静差,但动态过程经反复调整仍不能满意,则可加入微分环节。
在整定时,可先置微分系数为0,在第一步的基础上,增大Kd,同时相应地改变比例系数和积分时间。
2、时间最优的控制算法
采用上述PID控制算法存在一个问题:
当设定值比当前值高很多时,在相当一段时间内,控制增量都为正,而且在不断的积累增大;只有当温度上升到设定值以上时,控制增量才有可能变为负值;要用负的控制增量抵消以前积累的正控制量,需要的时间较长;这正是产生超调量的根本原因。
当设定值低于当前值时情况类似。
为解决这个问题,采用了时间最优的控制算法。
时间最优的PID控制即开关控制(Bang-Bang控制)与PID控制相结合的控制方式。
其思想是:
开关控制即指在当前值与设定值偏差较大的情况下,控制系统进入“开”或者“关”两种状态。
具体到本系统,就是指当前温度和设定温度差别很大时,要么全功率(最大电压输出)的加热,要么就全功率的制冷。
当前值与设定值相差在阈值α以内时,采用PID算法计算输出控制量;当在α以外时,则直接输出最大值255作为控制量,不再调用PID算法,不做控制量的累加。
这样处理可以在很大程度上改善控制性能。
第二章重要电路设计
2.1温度采集
图2-1温度采集电路
用电桥采集温敏电阻值的变化,考虑到是小信号的放大,所以选择仪表放大电路,并且选择高精度,低温漂的OP07运算放大器。
电阻R29为薄膜铂电阻,与R28在电桥的两个臂上,将铂电阻的电阻转换为电压信号U3的放大倍数定为33倍,U4的作用是调节放大倍数,使输出电压为0~5V
调节过程:
1、把铂电阻定在18度的阻值106.6欧姆,调节R23,使输出为0。
2、把铂电阻定在40度的阻值114.8欧姆,调节R30,使输出为5V
3、采用一阶滤波,目的是滤出高频得噪声干扰,所以f0定在几十HZ。
2.2温度控制
1.电压变换:
电路图见图2-2
图2-2电压变换电路
说明:
这部分电路先将D/A输出的电压控制信号control(-5~0V)用一个运放构成的反向放大器转移到电平0~8V,然后通过小功率稳压芯片LM385降压2.5V。
这是因为经稳压芯片LM385,电压至少会提高2.5V(Vout-Vadj=1.25V再经过扩展)。
在调试过程中,调节R3的阻值,便可调整反向放大器的增益,从而调整输出电压的范围。
2.控制电路:
具体电路包括由两片LM338构成的功率放大,以及由继电器构成的输出电流方向控制两部分,如图2-3所示。
电路说明:
(1)单片机的串口P1.2的输出经过继电器的驱动芯片ULN2003A,控制四刀继电器(Relay)都与上端或下端接通,从而改变输入半导体制冷器件的电流方向。
(2)控制电压信号经放大分压后输入LM338的Vadj端,R7和R8可用来调整零点。
(3)由于LM338的Vin和Vout端至少需要3V的压降,而半导体制冷器件最多承受8V的电压,故两路输入电源输入采用+12V的大功率电源。
图2-3功率输出电路
第三章软件流程
3.1基本控制
一、中断:
1、定时器中断:
采集温度数据、调用PID算法核生成温度控制数据、发送温度控制数据到温度控制系统;
2、键盘中断:
外部中断0,响应键盘输入;
3、AD中断:
外部中断1,是AD完成的反馈信号。
二、地址分配
键盘显示控制器:
占用地址空间8001H(状态、命令口),8000H(数据口)占用外部中断线INT0;
AD芯片:
占用地址空间0c000H,占用外部中断1
DA芯片:
占用地址空间0a000h
PID算法中的数据:
采样温度20H
控制量21H
控制量的方向22.0
设定的温度23H
显示缓冲区54--5B
MOV24H,#0FFH;Kp24H
MOV25H,#0DFH;Ki25H
MOV26H,#00FH;Kd26H
3.2PID控制
数字PID表达式为:
其中
改写为增量形式:
具体流程图可见图3-1。
图3-1数字PID增量型控制算法流程图
3.3时间最优的PID控制流程图
图3-2时间最优的PID控制流程图
第四章系统功能及使用方法
4.1温度控制系统的功能
本系统的温度显示范围:
18.0℃~42℃,显示精度:
0.1℃,可使控温箱体内的温度恒定在18℃~40℃范围内的任意温度上。
4.2温度控制系统的使用方法
F1显示当前箱体内的温度值
F2显示控制量的大小
F3显示当前温度与设定温度之间的差值
F4设定目标温度值
第五章系统测试及结果分析
5.1硬件测试
5.1.1调试流程
1.稳压电源:
调节稳压电源对应的变阻器,使输出为5V;
2.确定中断源工作正常;
3.确定温度传感器数字电路工作正常;
4.温度传感器模拟电路:
(1)调节电桥满足铂电阻额定电流1mA;
(2)在17摄氏度调节零点;(3)升温到一个较高温度,确定覆盖范围;(4)任意选定温度,验证;
5.确定温度控制器数字电路工作正常;
6.温度控制器模拟电路:
(1)设定温度控制量的模为0,调节调零变阻使338的电压为零;
(2)设定温度控制量的模最大255,调节范围控制电阻,使338输出的电压为所需的最大值8V;(3)取任一中间量验证(4)改变温度控制量方向,检验继电器动作;(5)验证有载工作。
5.1.2一些调试技巧
硬件调试的时候,不能盲目的调试,应该首先分析一下原因,这一点可以通过测试硬件中的关键点来得出,再去调试相应的部分;调试的主要方法是测试相应部分电源特性和焊接联通性,若未解决再察看电路的完整性,再无问题则需要检查设计原理。
5.1.3调试中遇到的问题及分析
1.串扰:
可以采用诸如模、数、功率分离,一点接地等方法来避免串扰;
2.D/A输出经电平转换至但联调加入后向通道LM338时电平转换不起作用。
解决方法:
调试发现联结LM338后降低2.5V电平的LM385失效,判断是有电流倒灌,经计算是由于LM338电路的电阻太小导致电流太大使LM385的偏置失效,改正后电路正常工作。
5.2软件调试
PID算法系数整定
a.确定比例增益P
确定比例增益P时,首先去掉PID的积分项和微分项,一般是令Ti=0、Td=0,使PID为纯比例调节。
输入设定为系统允许的最大值的60%~70%,由0逐渐加大比例增益P,直至系统出现振荡;再反过来,从此时的比例增益P逐渐减小,直至系统振荡消失,记录此时的比例增益P,设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。
比例增益P调试完成。
b.确定积分时间常数Ti
比例增益P确定后,设定一个较大的积分时间常数Ti的初值,然后逐渐减小Ti,直至系统出现振荡,之后在反过来,逐渐加大Ti,直至系统振荡消失。
记录此时的Ti,设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。
积分时间常数Ti调试完成。
c.确定积分时间常数Td
积分时间常数Td一般不用设定,为0即可。
若要设定,与确定P和Ti的方法相同,取不振荡时的30%。
第六章进一步讨论
(1)针对被控对象的非线性,设计分段式变参数控制算法,对不同的温度段使用不同的参数。
(2)采样中断使用的是单片机的内部定时器,会占用较多的系统资源,可以考虑改用外部定时器,用中断口1。
(3)可以在程序中加入数字滤波的程序,使采集的信号更加平稳。
(4)测温时将温度转换为频率f,然后与系统版的时钟比较得到温度值。
前向通道则只需采用分压,压控振荡,甚至不需要A/D.
(5)已经实现的人机界面主要是针对便于调试加入显示控制量和目标差;实际的友好界面应显示调节效果的参数.
参考文献
[1]胡汉才《单片机原理及其接口技术》北京清华大学出版社1996年7月
[2]曹承志《微型计算机控制新技术》北京机械工业出版社2001年3月
[3]数电实验讲义
[4]单片机实验讲义、
[5]何小艇《电子系统设计》浙江大学出版社
[6]陆坤等《电子设计技术》电子科技大学出版社
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