水温控制系统设计PPT课件

1 水温控制系统设计 1997年全国大学生电子设计竞赛C题 2 1 任务 设计并制作一个水温自动控制系统 控制对象为1L净水 容器为搪瓷器皿 水温可以在一定范围内由人工设点 并能在环境温度降低时 实现自动控制 以保持设定的温度基本不变 2 要求 2 1 基本要求 温度设定范围为40 90 最小区分度为1 标定温度小于等于1 环境温度降低时 如用电风扇降温 温度控制的静态误差小于等于1 用十进制数码管显示水的实际温度 3 2 2 发挥部分 采用适当的控制方法 当设定温度突变 由40 提高到60 时 减小系统的调节时间和超调量 温度控制的静态误差小于等于0 2 在设定温度突变 由40 提高到60 时 自动打印水温随时间变化的曲线 4 3 题目分析系统功能 基本部分 即为一个具有人工设定温度 能实时检测温度 当受控对象的温度受外界影响 而发生较小且缓慢变化时 能自动实现对受控对象的恒温控制 并能实时显示温度 从性能指标来看 基本部分的温度控制精度不高 调节时间不受限制 发挥部分 主要在以下几个方面增加了难度 a 测温和保温的精度由1 提高到0 2 b 外界对温度的影响由 较小且缓慢变化 改成 突变 即 当设定温度突变 由40 提高到60 时 要求要能减小系统的调节时间和超调量 5 c 增加了实时打印时间水温曲线的功能 三个发挥题的a主要是传感器的要求要提高 b的实现要求控温算法必须采用比例微分积分PID控制 否则 无法缩短调节时间减小超调量 要完成打印功能 除了要设计好时间水温曲线的图像函数外 还要增加通信电路 6 4 电路结构分析 测温电路 显示驱动电路 控制电路 水 功率电路 加热电路 键盘输入 7 5 方案论证5 1 测温电路测温元件以半导体集成温度传感器为佳 他的精度 可靠性都很好 使用方便 是一种适应性很广的通用传感器 如图22 2 3以AD590为测温敏感元件 AD581为高精度稳压器 以及运放OP07为核心构成的典型测温电路 AD590将温度转化为电流信号 运放OP07的同相输入端由AD581提供高稳定的标准电压信号 0v 其反相输入端由AD590经分压电路提供测量电压信号 反复调整两个可变电阻 并经过温度标度 使得电路在40 时输出为0mv 90 时为100mv 以满足题目对测量范围和精度的要求 8 测温电路原理框图 AD581 控制器 A D AD590 9 几个问题 A 温度标定 获取标准电压信号 B A D转换的位数确定 由于 90 40 0 2 250级 8位A D转换器即可获得255级的精度 基本可以满足要求 考虑到留有余量 也可选用10位或12位转换器 10 5 2功率电路及加热方式本系统要对水用电炉进行加热 功率较大 同时 还要能对电炉的工作状态进行控制 以调节水温 恒温控制 采用电磁继电器或光耦合可控硅的功率驱动电路 是用小信号控制大电流 并实现功率控制的常用电路 教材P 112的图22 2 7和图22 2 8即为这种典型的功率电路 双向可控硅驱动时的交流过零检测问题 可参考教材P 113的说明 11 5 3 控制器的设计控制器的工作原理 测量值 控制算法 控制指令 执行器 功率电路 加热炉 水 比较 设定值 12 5 3 控制器的设计5 3 1用CPLD FPGA设计控制器的算法流程图 R1测量值 R3R1 R2 y 计时器开始计时 LED数码管 轮流显示驱动电路 控制算法 开始 R2设定温度 R3 0 2 n 执行器 功率电路 加热炉 扫描测温电路 设温键盘 控制指令 停止计时计时器清零 MUX 13 5 3 2用单片机设计控制器 14 5 3 3控制算法 调节器的控制规律一个自动控制系统 在扰动作用和控制作用下 被控质量能否回到设定值上 或以什么样的途径 经过多长时间回到设定值上来 这不仅与过程的特性有关 也与调节器的特性有关 调节器的特性 是指调节器的输入与输出之间的关系 用数学式表示为 C f e c为调节器输出的控制信号 e为比较器送来的偏差信号 调节器的基本控制规律有位式 比例 积分 微分等四种类型 实际应用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合 即有位式 比例 比例积分 比例微分 比例积分微分PID等 除位式是断续式的以外 其他的均属连续式控制 15 PID控制算法PID控制算法简单 实用 对各种控制对象具有非常广泛的适用性 通过现场的参数调试 可以获得较好的控制效果 尤其是控制温度 由于容量滞后较大 时间常数大 常用PID控制方式 所以 在本设计采用PID控制算法是比较合适的 PID控制算法可以表示为 在本例中 具体算法如下 16 在本例中 具体算法如下 式中 u i 为当前功率输出 T为采样时间 E为误差积累