1、溫度控制器實驗報告陳力 12307130004一、實驗目的在工業生產過程中，溫度是工業生產過程中常見的工藝參數之一，對溫度控制的好壞直接影響產品的質量。及時準確地得到溫度信息并對其進行適當的控制，在許多工業場合中都是重要的環節。對于溫度控系統優劣的評判，主要有以下幾個方面：溫度采樣速度與精度、溫度控制的范圍、響應時間、最大超調以及穩態誤差等。除此之外，友好的人機交互界面、便捷的控制方式、優秀的環境適應能力等也是一個好的溫度控制器所必須的。 本實驗的溫度控制器采用51單片機作為控制平臺，使用PID+PWM的算法進行溫度的控制，力求能夠在常溫范圍內實現對溫度迅速、精確的控制，并實現一定的人機交互和

2、控制功能。二、實驗設計1、設計目標 利用實驗室現有條件和器件，設計一溫度控制器，利用PLC、CPLD/FPGA或MCU實現，并實現下列目標：1. 溫度控制范圍大于3050。2. 穩態誤差在1以內。3. 最大超調在2以內。4. 最大響應時間小于5min。 2、所用器材選取 基于實驗室所提供的器材，整個溫度控制系統的主控部分采用實驗室提供的51單片機仿真器構成的單片機系統；控制和顯示部分采用8279芯片控制的8個數碼管和4*4鍵盤單元；升溫裝置為5W20的水泥電阻，降溫裝置為小風扇。考慮到電流型的溫度傳感器AD590以及電壓型的溫度傳感器LM235需要額外的AD轉換，而且精度也很難達到要求，溫度檢

3、測部分采用了DS18B20 單總線數字溫度傳感器對溫度進行檢測。系統整體框圖如下：3、硬件電路設計 根據任務要求，確定了器件和系統電路。51單片機的P3.3、P3.4、P3.5三個I/O口分別連接小風扇、DS18B20以及水泥電阻。考慮到51單片機I/O口的負載能力有限，選擇了實驗室所提供的達林頓管2SD560作為功率放大。小風扇和水泥電阻的兩端各并聯了一個帶有電阻分壓的發光二極管，用來直觀地觀察小風扇和水泥電阻的工作狀態。仿真器需要連接5.7V電壓，DS1820需要連接5V電壓，而風扇電機標定需要9V電壓，考慮到電源的供電接口只有兩個，所以將風扇電機連接盡可能高的5.7V電壓，實驗中發現仍能

4、轉動。系統的硬件設計圖如下：4、軟件程序設計系統的程序主要由系統的主程序、硬件初始化、環境溫度采集子程序、PID計算子程序、PWM計算子程序、溫度控制子程序、鍵盤控制子程序、顯示子程序、中斷控制子程序等部分構成。溫控系統采用了數字PID 算法，并由軟件實現，PID算法的返回值用來控制PWM的高電平和低電平個數，進而驅動水泥電阻。PID算法的離散數學模型可以描述為：其中的Kp, Ki 和Kd 分別為比例系數、積分系數和微分系數；u(k)為第k次的采樣值；e(k)為第k次采樣時刻輸入的偏差值；e(k-1)為第k-1次采樣時刻輸入的偏差值。程序流程框圖如下：5、PID參數的調節方法a.確定比例增益P

5、 確定比例增益P 時，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令Ti=0、Td=0（具體見PID的參數設定說明），使PID為純比例調節。輸入設定為系統允許的最大值的60%70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統出現振蕩；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設定PID的比例增益P為當前值的60%70%。比例增益P調試完成。b.確定積分時間常數Ti 比例增益P確定后，設定一個較大的積分時間常數Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統出現振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti，直至系統振蕩消失。記錄此時的Ti，設定PID的積分時間常數Ti為當前值的150%180%。積

6、分時間常數Ti調試完成。c.確定微分時間常數Td 積分時間常數Td一般不用設定，為0即可。若要設定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時的30%。 d.系統空載、帶載聯調，再對PID參數進行微調，直至滿足要求。下面是典型的幾種相應曲線及存在的問題。三、實驗結果1、升溫過程初始溫度為30度，設定溫度為40度，每2s采集一次數據。利用MATLAB擬合得到時間-溫度時域響應曲線如下圖所示；測得相應數據為：響應時間/s 最大超調/度 穩態誤差/度 76 0.6 0.52、降溫過程初始溫度為40度，設定溫度為30度，每2s采集一次數據。利用MATLAB擬合得到時間-溫度時域響應曲線如下圖所示；測得相應

7、數據為：響應時間/s 最大超調/度 穩態誤差/度 116 0.5 0.4四、實驗分析1、溫度控制范圍大于3050。實驗測試中，實際測量得到的溫度控制范圍約為2380，遠超過實驗的設計目標。針對于本實驗的實際情況，在軟件設計的時候，如果設置溫度超過80，程序將強制調整溫度到80，這樣的設計主要是出于安全性考慮。2、穩態誤差在1以內。實驗測試中，無論是升溫還是降溫，最終的穩態誤差都在1以內，大部分情況下（特別是升溫），穩態誤差都能夠控制在0.5以內，可以說很好地實現了設計目標。3、最大超調在2以內。 實驗測試中，升溫情況下，最大超調基本控制在+1以內；降溫情況下，則一般不會出現超調。總的來看，最大

8、超調的范圍在+1以內，完成了實驗設計的要求。4、最大響應時間小于5min。實驗中測試了溫度控制范圍內的最大響應時間，其中升溫從25度到75度響應時間為236s而降溫從75度到25度響應時間為269s。可以看出，在設定溫度與初始溫度相差最大的情況下，溫度控制器的響應時間都達到了設計要求。五、實驗思考該實驗是溫度的控制實驗，可以說在我們平常的生活中處處都涉及溫度控制。既有像電廠蒸汽、加熱爐、烘干機之類的工業現場，也有像蔬菜大棚、牛舍、孵化箱之類的農業現場，還有像溫箱、空調、冰箱之類的日常生活現場。關于溫度控制系統的控制平臺，大部分溫度控制系統采用了不同型號的單片機作為控制平臺，有的溫度控制系統則采

9、用了基于ARM的嵌入式系統，還有一些溫度控制器采用PLC、CPLD、FPGA等平臺來進行控制。設計的溫度控制器能夠很好地完成溫度控制的功能，溫度控制器的控制范圍、穩態誤差、最大超調以及響應時間都達到了實驗設計時的要求，除此之外，還實現了PID實時調節、PWM占空比顯示等功能。在實驗的設計和調試階段，遇到了很多問題，程序也經過了多次改進，之后通過自己的努力、與老師同學的交流，都得到了比較完善的解決。比如，數碼管顯示不穩定、PID參數難以準確調節等問題，自己也學習到了很多知識。六、參考文獻1 陸起涌.等. 近代無線電實驗M. 上海:復旦大學出版社, 2004.2 王勇. 模擬與數字電路實驗M. 上海:復旦大學出版社, 2013.