一、設(shè)計任務(wù)與要求
1、設(shè)計任務(wù)
設(shè)計制作一個水溫自動控制系統(tǒng)，控制對象為1升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。
2、要求
⑴ 基本要求
① 溫度設(shè)定范圍為40～90℃，最小區(qū)分度為1℃，標(biāo)定溫差≤1℃。
② 環(huán)境溫度降低時(例如用電風(fēng)扇降溫)溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃。
③ 用十進制數(shù)碼顯示水的實際溫度。
⑵ 發(fā)揮部分
① 采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度突變(由40℃提高到60℃)時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。
② 溫度控制的靜態(tài)誤差≤0.2℃。
③ 在設(shè)定溫度發(fā)生突變(由40℃提高到60℃)時，自動打印水溫隨時間變化的曲線。
3、說明
⑴ 加熱器用一千瓦電爐。
⑵ 如果采用單片機控制，允許使用已有的單片機最小系統(tǒng)電路板。
⑶ 數(shù)碼顯示部分可以使用數(shù)碼顯示模塊。
⑷ 測量水溫時只要求在容器內(nèi)任意設(shè)置一個測量點。
⑸ 在設(shè)計報告前附一篇400字以內(nèi)的報告摘要。
二、理論分析及控制算法確定
該系統(tǒng)為一溫度控制系統(tǒng)，由于無法確切確定電爐的物理模型，我們采用作t-T(時間-溫度)曲線的方法，通過數(shù)值分析用三階多項式擬合t-T曲線。由于采用計算機遞歸計算，階數(shù)的多少不影響計算的復(fù)雜性，所以用三階多項式擬合。設(shè)t(m)=a3m3+a2m2+a1m+a0式中t為時間，m為溫度，a3、a2、a1、a0可以通過t-T曲線求出。由于多項式不能完全符合t-T曲線，存在著誤差，假設(shè)誤差為e，m是t-T曲線中的溫度，對該誤差采用回歸遞推AR模型進行運算。該模型形式如下：
e(m)=p1e(m-1)+p2e(m-2)+De(m-3)
其中De(m)為白噪聲。對此式進行最小二乘法估計，求出參數(shù)p1、p2。為簡化起見，忽略De(m)得通過矩陣運算可以求出p1、p2的值，得出整個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：t(m)+e(m)。在溫度控制程序中通過遞推即可達(dá)到控制目的。實際系統(tǒng)中，溫控變量與環(huán)境溫度有關(guān)，所以對不同的設(shè)定值，a3、a2、a1、a0可以適當(dāng)調(diào)整，經(jīng)過程序驗證，該方法獲得比較理想的效果。
三、方案的比較和實現(xiàn)
1、硬件系統(tǒng)設(shè)計
由前面的理論分析可見，本系統(tǒng)是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過控制算法，對被控制對象中的加熱元件電爐絲的平均功率進行控制，達(dá)到對水溫控制的目的。系統(tǒng)中采用一片Intel8031單片處理器作為主控制器，前向通道為測溫部分，后向通道為控制部分。通過按鍵和數(shù)碼顯示進行人機交互，通過RS232串行通信接口同PC聯(lián)機進行溫度圖形化顯示打印。
⑴ 測溫部分 用于采集被控對象的溫度參數(shù)。測溫部分由溫度電壓轉(zhuǎn)換，小信號放大及A/D轉(zhuǎn)換三部分組成。
實際情況下，一般IC溫度傳感器的精度只有0.7℃～1℃，不符合本題目的靜態(tài)誤差0.2℃的要求。而電阻傳感器的精度可以達(dá)到0.1℃，符合本題目要求。溫度傳感器是整個控制系統(tǒng)獲取被控對象特征的重要部件，這里采用Cul00銅熱阻作為溫度傳感器，其特征參數(shù)實測如圖1所示。由特性曲線可見，這種熱阻探頭在系統(tǒng)測量的溫度范圍內(nèi)線性特性良好，適用于溫度采樣使用。