1、計算機控制技術課程設計報告計算機控制技術課程設計評語：考勤（10）守紀（10）過程（40）設計報告（30）答辯（10）總成績（100）專 業： 自動化 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 2015年 07 月 10 日基于溫度傳感器的水溫控制系統1設計要求1升水加熱，要求水溫可以在20100攝氏度范圍內進行人工控制，并能在環境溫度變化時實現自動調整，以保證在設計的溫度。要求最小分辨率位1攝氏度，溫度控制的穩態誤差小于0.2攝氏度，能夠顯示當前的溫度。設計原理圖如下：圖1 設計原理圖2設計方案設計采用220V交流供電的150W加熱器，利用DS18B20進行周期性檢測，并將數據傳遞給單片機。

2、上位機通過單片機傳遞的實時溫度與設定溫度進行比較得到誤差，通過PID算法得到控制量，送給單片機通過單片機I/O口輸出高電平占空比進行控制，實現對加熱器為溫度輸出控制。3 硬件設計3.1硬件結構圖圖2 硬件結構圖3.2硬件選型(1)控制器分為上位機和下位機。上位機為控制計算機，通過反饋的溫度與設定的溫度進行對比，通過預先設定的算法計算出控制量u；下位機為AT89C51即單片機，接收由上位機所給出的控制量，對執行機構進行控制。AT89C51具有如下特點：4kB Flash片內內存儲器，128 byte RAM，32個外部雙向輸入輸出口，5個中斷優先級，2個16位可編程計數器，2個全雙工串行通信口。

3、(2)D/A轉換器采用DAC0832，8為D/A轉換器，與微處理器完全兼容。DAC0832由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換電路及轉換控制電路構成。主要參數：分辨率為8位；電流穩定時間1微秒；可單緩沖、雙緩沖或直接數字輸入；可單一電源供電（5V-15V）；低功耗，20mW。(3)驅動電路采用繼電器和三極管如圖3所示的連接方式。通過給I/O端口高低電平來控制繼電器的通斷，繼而控制加熱棒加熱的占空比，以達到控制水溫的目的，如圖所示。其中三極管為控制開關作用，當輸入高電平，NPN飽和導通，繼電器線圈通電，觸電吸合，使220V電源接通。反之，輸入高電平，NPN截止，繼電器線圈

4、斷電，觸點斷開。圖3繼電器、三極管驅動電路(4)執行機構采用交流加熱棒。根據相關資料對于加熱一杯水，加熱棒可以迅速反應，提高控制動態響應速度。(5)傳感器采用DS18B20數字溫度傳感器。DS18B20具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高等特點。它有獨特的單線接口方式，在于微處理器相連時僅需一根口線即可實現雙向傳輸。DS18B20測溫范圍位-55125攝氏度，固有測溫誤差位1攝氏度，工作電源3.05.5V，測量結果以9到12位數字量方式串行傳送。(6)顯示部分采用數碼管。數碼管顯示電路可以實現溫度的實時顯示以便觀察水溫變化。4被控對象模型的建立由于水溫控制系統的控制對象具有熱存儲能力大

5、，慣性也較大的特點，水在容器內流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，因而可以將被控對象歸于一階慣性環節，即可將被控對象的傳遞函數表示為。為了確定K,T的值可以繪出系統加上階躍信號，繼電器的占空比位100%的工作曲線，已知水溫變化范圍為20100即；一階系統過渡過程重要特征點是系統輸出達到過渡過程總變化量的63.2%的點。通過計算T為溫度上升到的時間，經過查找數據確定T為297。即可得被控對象的傳遞函數為。5數字PID控制算法本設計是閉環控制系統，可以采用PID控制。PID控制是按偏差的比例、積分和微分進行控制的一種控制規律。它具有原理簡單、易于實現、參數整定方便、結構改變靈活、適用性強等優點，在連續

6、系統中的得到廣泛的應用，在計算機進入控制領域后，用計算機實現的數字PID算法代替了模擬PID調節器。數字PID位置型控制算法：數字PID增量型控制算法：Kp比例增益Ki=積分系數Kd=微分系數本設計采用數字PID位置型算法得出控制量u。利用湊試法對PID參數進行整定，當Kp=20，Ki=1，Kd=1時系統的超調較小，反應時間較快且沒有穩態誤差，即可以得到較好的效果。6利用MATLAB仿真圖4 MATLAB仿真如圖所示：(1) 比例調節器簡單快速但對于具有自平衡性的控制對象存在靜差。加大比例系數Kp可以減小靜差，但當Kp過大會使動態質量變壞，引起被控量震蕩甚至使閉環不穩定。(2) 比例積分調節器

7、中積分環節的加入有助于消除系統靜差但是會使調整時間變長。Ti時間積分大則積分作用弱，反之積分作用強。增大Ti將減慢消除靜差的過程，但可減小超調，提高穩定性。(3) 比例積分微分調節器中微分作用的加入對偏差的任何變化都產生一個控制作用，以調節系統輸出阻止偏差的變化，偏差變化越快，反饋矯正量越大。故微分作用的加入將有助于減小超調，克服振蕩，使系統趨于穩定。它加快了系統的動作速度減小調整時間，從而改善系統動態性能。5心得體會在設計的過程中，我對于計算機控制技術中所學的有關于PID算法，輸入、輸出通道的組成，A/D轉換器分辨率以及計算機控制系統的結構及組成有了更加深刻的認識。與此同時通過這次課程設計，我熟練掌握了MATLAB仿真過程。最重要的是我對于水溫控制系統的控制過程有了一定的了解。附錄附錄A利用湊試法得到PID參數： 當取Kp=20，Kd=0，Ki=0 仿真結果： 分析：由仿真結果可以看出系統存在靜差，加入積分