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过程控制系统课程设计报告
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题目：温度控制系统设计
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指导教师：
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温度控制系统设计
一、设计任务
设计电热水壶度控制系统方案，使系统满足85度至95度热饮需要。
二、预期实现目标
通过按键设定温度，使系统水温最终稳定在设定温度，达到控制目标。
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三、设计方案
（一）系统数学模型的建立
要分析一个系统的动态特性，首要的工作就是建立合理、适用的数学模型，这也是控制系统分析过程中最为重要的内容。
数学模型时所研究系统的动态特性的数学表达式，或者更具体的说，是系统输入作用与输出作用之间的数学关系。
在本系统中，被控量是温度。
被控对象是由不锈钢水壶、2Kw电加热丝组成的电热壶。
在实验室，给水壶注入一定量的水，将温度传感器放入水中，以最大功率加热水壶，每隔30s采样一次系统温度，记录温度值。
在整个实验过程中，水量是不变的。
经过试验，得到下表所示的时间-温度表：
表1 采样时间和对应的温度值
采样时间
t 8 》
9
10 11 12 13 温度值℃
64
·
72
79
86
93
98
以采样时间和对应的温度值在坐标轴上绘制时间-温度曲线，得到图1所示的曲线： <
图1 时间-温度曲线
采用实验法——阶跃响应曲线法对温箱系统进行建模。
将被控过程的输入量作一阶跃变化，同时记录其输出量随时间而变化的曲线，称为阶跃响应曲线。
从上图可以看出输出温度值的变化规律与带延迟的一阶惯性环节的阶跃曲线相似。
因此我们选用
()1s
ke G s Ts τ-=
+
（式中：k 为放大系数；T 为过程时间常数；τ为纯滞后时间）作为内
胆温度系统的数学模型结构。
（1）k 的求法：k 可以用下式求得：
()(0)
y y k x ∞-=
（x ：输入的阶跃信号幅值）
]
（2）过程时间常数T 和滞后时间τ可用两点法求得：
T=
)]
(1ln[)](1ln[2*
1*1
2t y t y t t ---- τ=)]
(1ln[)](1ln[)](1ln[)](1ln[2*
1*2*
11*2t y t y t y t t y t ------ 选取系统终值100℃，t 1=90s ，对应)(1*t y =，t 2=300s ，对应)(2*t y =得到
K=，T=, τ=
系统开环传递函数：
K=
1
1388
.0+S
^
（二）基于MATLAB 的PID 仿真
(1)PID 控制算法
目前大部分温度控制器还是采用PID 控制算法，PID 控制是比例—积分—微分控制，PID 控制是最早发展起来的、应用领域至今仍然广泛的控制策略之一。
它是基于对象数学模型的方法，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。
这种算法对固定参数的线性定常系统是非常有效的，一般都得到比较满意的控制效果。
其调节品质取决于PID 控制器各个参数的整定，但是对不同的温度控制对象要用不同的PID 参数，而且参数整定比较麻烦。
①比例系数P对系统性能的影响：
比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；P偏大，振荡次数加多，调节时间加长；P太大时，系统会趋于不稳定；P太小，又会使系统的动作缓慢。
P可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。
如果P的符号选择不当对象测量值就会离控制目标的设定值越来越远，如果出现这样的情况P的符号就一定要取反。
②积分控制I对系统性能的影响：
积分作用使系统的稳定性下降，I小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。
③微分控制D对系统性能的影响：
;
微分作用可以改善动态特性，D偏大时，超调量较大，调节时间较短；D偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有D合适，才能使超调量较小，减短调节时间。
(2)仿真系统搭建和PID整定
通过MATLAB的SIMULINK功能搭建系统仿真模型如图2所示：
图2 系统仿真模型
PID整定后的系统响应波形如图3所示：
图3 系统响应波形
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（三）系统硬件设计
系统的硬件设计采用直接交流调压方式。
通过双向可控硅，对正弦电压采用移向触发控制。
这种方式可以方便的调节电热壶的输入功率，减少控制主电路的发热损耗，提高系统电压利用率和整体效率。
系统主电路的电路图如图4所示：
图4 系统主电路电路图
系统控制电路采用AVRmega16单片机控制。
通过采样正弦电压过零点，结合单片机的PWM输出，对正弦电压进行调制。
系统控制电路的电路图如图5所示：。
图5 系统控制电路的电路图
控制电路将实际温度和设定温度显示在4位数码管上。
分阶段比较设
定温度和实际温度的偏差，实现对温度的精确控制。
一旦达到设定温度，
系统自动停止加热，一旦温度低于设定温度，系统自动施加电压，始终保
持设定温度。
（四）系统软件设计
系统软件控制流程图如图6所示：
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图6系统软件控制流程图
四、实验结果
试验表明，系统能够很好的跟随给定值，没有超调和震荡，系统稳定性良好，没有稳态误差，能够实现课设要求的指标。
五、实验总结
通过本设计，能很好的达到按键设定温度，使系统水温最终稳定在设定温度的控制目标，出色地完成设计任务。