10
5.3、控制器的设计
控制器的工作原理
测量值
设定值
±⊿
比较
控制算法
执行器
控制指令
（功率电路、 加热炉）
水
11
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：
开始
扫描测温电路、设温键盘
MUX
轮流显示 驱动电路
LED数码管
R1 Байду номын сангаас量值 R2 设定温度
计时器 开始计时
R3 R1-R2
4
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。
5
4、电路结构分析：
显示驱动电路
测温电路
控制电路
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；
功率电路
加热电路
键盘输入
水
6
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。
14
⑵ 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：
CKP(eT 1 L edtTDd d)e t
2
2.2、发挥部分 ⑴ 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； ⑵ 温度控制的静态误差小于等于0.2 ℃； ⑶ 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。
3
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。
7
测温电路原理框图
AD581
A/D
控制器
AD590
8
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。
9
5.2功率电路及加热方式
16
6.通信电路
17
在本例中，具体算法如下：
15
在本例中，具体算法如 下：
e(i)tshui tshe
Ee(i)
u(i)KPe(i)TTL ETTDe(i)e(i1)u0
式中，u(i)为当前功率输出，T为采样时间，E为误差积 累，KP为比例常数，TL为积分常数，TD为微分常数。
根据具体情况，在调试中调节3个常数，可以达到 较好的控制效果。为保证系统的稳定性，改善控制性能， 应对E进行限幅，大于某一值时，停止E的累加。
水温控制系统设计
1997年全国大学生电子设计竞赛C题
1
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 ⑴ 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 ℃； ⑵ 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 ℃； ⑶ 用十进制数码管显示水的实际温度。
控制算法
停止计时 y
n
计时器清零
R3≤0.2？
控制指令
执行器
（功率电路、
加热炉）
12
5.3.2 用单片机设计控制器
13
5.3.3 控制算法 ⑴、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。
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。
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。