计算机控制技术课程设计
评语：
考勤（10）守纪（10）过程（30）设计报告（30）答辩（20）总成绩（100）
专业：自动化
班级：动201302
姓名：完新龙
学号：201309314
指导教师：侯涛
兰州交通大学自动化与电气工程学院
2016年07月15日
基于温度传感器的水温控制系统
1.设计要求
1升水加热，要求水温可以在20~100摄氏度范围内进行人工控制，并能在环境温度变化时实现自动调整，以保证在设计的温度。

要求最小分辨率率为1摄氏度，温度控制的稳态误差小于0.2摄氏度，能够显示当前的温度。

2.设计方案
设计采用220V交流供电的150W加热器，利用DS18B20进行周期性检测，并将数据传递给单片机。

上位机通过单片机传递的实时温度与给定温度进行比较得到误差，通过PID算法得到控制量，送给单片机通过单片机I/O口输出高电平占空比进行控制，实现对加热器控制。

2.1设计原理图
设计原理图如图1所示。

图1 设计原理图
2.2硬件选型
(1)控制器分为上位机和下位机。

上位机为控制计算机，通过检测的温度与设定的温度进行比较，由设定的算法计算出控制量u；下位机为AT89C51即单片机，接收由上位机所给出的控制量，对执行机构进行控制。

AT89C51具有如下特点：4kB Flash片内内存储器，128 byte RAM，32个外部双向输入输出口，5个中断优先级，2个16位可编程计数器，2个全双工串行通信口。

(2)D/A转换器采用DAC0832，8位D/A转换器，与微处理器完全兼容。

DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

主要参数：分辨率为0.0039；电流稳定时间1微秒；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；可单一电源供电（5V-15V）；低功耗，20mW。

(3)执行机构采用交流加热器。

根据相关资料对于加热一杯水，加热器可以迅速反应，提高动态响应速度。

(4)传感器采用DS18B20数字温度传感器。

DS18B20具有体积小，硬件开销低，
抗干扰能力强，精度高等特点。

它有独特的单线接口方式，在于微处理器相连时仅需一根口线即可实现双向传输。

DS18B20检测温范围为-55~125摄氏度，固有测温误差位1摄氏度，工作电源3.0~5.5V ，测量结果以9到12位数字量方式串行传送。

(5)显示部分采用数码管。

数码管显示电路可以实现温度的实时显示以便观察水温变化。

2.3硬件结构图
硬件结构图如图2所示。

图2 硬件结构图
3.被控对象模型的建立
由于水温控制系统的控制对象具有热存储能力大，惯性也较大，因而可以将被控对象归于一阶惯性环节，即可将被控对象的传递函数表示为1
+Ts K。

为了确定K,T 的值可以绘出系统加上阶跃信号，继电器的占空比位100%的工作曲线，已知水温变化范围为20~100即3.125.120
100100
≈=-=
K ；一阶系统过渡过
程重要特征点是系统输出达到过渡过程总变化量的63.2%的点。

通过计算T 为温度上升到7156.70632.0*)20100(20≈=-+的时间，经过查找数据确定T 为297。

即可得被控对象的传递函数为
1
2973
.1+s 。

4.数字PID 控制算法
本设计是闭环控制系统，可以采用PID 控制。

PID 控制是按偏差的比例、积分和微分进行控制的一种控制规律。

它具有原理简单、易于实现、参数整定方便、结构改变灵活、适用性强等优点，在连续系统中的得到广泛的应用，在计算机进
入控制领域后，用计算机实现的数字PID 算法代替了模拟PID 调节器。

数字PID 位置型控制算法：d
p 00
i ()(1)
()[()()]k
j T
e k e k u k K e k e j T u T T
=--=+
++∑
数字PID 增量型控制算法：
p i d ()()(1)
[()(1)]()[()2(1)(2)]u k u k u k K e k e k K e k K e k e k e k ∆=--=--++--+-
p K ——比例增益
i p i
T
K K T =——积分系数 d
d p
T K K T
=——微分系数 本设计采用数字PID 位置型算法得出控制量u 。

利用凑试法对PID 参数进行整定，当p K =20，i K =1，d K =1时系统的超调较小，反应时间较快且没有稳态误差，即可以得到较好的效果。

5.利用MATLAB 仿真
系统仿真结构图如图3所示。

图3系统仿真结构图
(1)比例调节器简单快速但对于具有自平衡性的控制对象存在静差。

加大比例系数p K 可以加快反应速率，但当p K 过大会使动态质量变坏，引起被控量震荡甚至使闭环不稳定。

(2)比例积分调节器中积分环节的加入有助于消除系统静差但是会使调整时间变长。

时间积分大则积分作用弱，反之积分作用强。

(3)比例积分微分调节器中微分作用的加入对偏差的任何变化都产生一个控制作用，以调节系统输出阻止偏差的变化，偏差变化越快，反馈校正量越大。

它加快了系统的动作速度减小调整时间，从而改善系统动态性能。

6.仿真结果
仿真结果如图4所示。

20
40
60
80
200
150
100
50
100T (摄氏度)
t(s)
图4 系统仿真结果图
图4为系统给定输入为150摄氏度时的系统仿真图。

如图4所示，系统的调整时间为80s ，当系统达到稳定时输出为150摄氏度。

7.心得体会
在设计的过程中，我对于计算机控制技术中所学的有关于PID 算法，输入、输出通道的组成，A/D 转换器分辨率以及计算机控制系统的结构及组成有了更加深刻的认识。

与此同时通过这次课程设计，我熟练掌握了MATLAB 仿真过程。

最重要的是我对于水温控制系统的控制过程有了一定的了解。

附录
参数整定
利用凑试法得到PID参数，当取
p 20
K=，
d 0
K=，
i 0
K=。

系统仿真结构图如图5所示。

图5 系统仿真结构图
仿真结果图如图6所示。

图6 系统仿真结果图
分析：由仿真结果可以看出系统存在静差，加入积分环节即
i 1
K=。

加入积分环节即
i 1
K=后系统仿真结构图如图7所示。

图7 系统仿真图
系统仿真结果图如图8所示
图8 系统仿真结果图
分析：加入积分环节，系统无静差，但是反应时间变长了，因此加入微分环
节
d 1
K=。

系统仿真结构图如图9所示。

图9系统仿真结构图系统仿真结果图如图10所示。

图10系统仿真结果图
分析：由图可知，达到比较理想的效果，即取
p 20
K=，
d 1
K=，
i 1
K=。

PID整定规律：
参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来。