水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)-文庫吧
2025-06-22 14:58 本頁面
【正文】 過小會(huì)導(dǎo)致加熱時(shí)間過長，而加熱水量過少或功率過大會(huì)使超調(diào)增大，不利于控制。我們選擇1L的容器作為測試對(duì)象，預(yù)計(jì)將20攝氏度的水加熱到100攝氏度需要5分鐘。經(jīng)過計(jì)算這樣的加熱器功率至少為1120w，因此選擇1000w的加熱管。滿足1L的容器很多，但是廣口的盆水位較低，不利于加熱管的安放。經(jīng)過努力，找到了合適的容器（實(shí)物見附件），恰能使得加熱棒處于最為合適的水位深度。 電動(dòng)機(jī)本不在設(shè)計(jì)的范圍里面，但是隨著系統(tǒng)調(diào)試的進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)容器中的的水很難實(shí)現(xiàn)熱均勻。容器中上下層溫差過大，導(dǎo)致溫度傳感器所測數(shù)據(jù)極不準(zhǔn)確，滯后過大，非常不利于控制。所以又添加一個(gè)直流減速電機(jī)帶動(dòng)槳葉加速冷熱水對(duì)流，從而讓容器里面的水受熱均勻，方便測溫模塊對(duì)系統(tǒng)水溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測。這一額外的電動(dòng)機(jī)沒有在事先考慮的器件電氣匹配范圍內(nèi)，所以當(dāng)它與加熱模塊一同共用5v的直流電源時(shí)，已超出了整流模塊所能提供的最大電流，于是又添加了一個(gè)電源給電動(dòng)機(jī)供電。3. PID程序的修改調(diào)試當(dāng)實(shí)際水溫與目標(biāo)值差距過大時(shí)，加熱器只需滿功率工作(或完全停止工作)即可滿足要求。此時(shí)采用PID控制意義不大，且PID控制范圍很大，參數(shù)很難整定，而微分環(huán)節(jié)也容易受到干擾導(dǎo)致加熱器無法滿功率運(yùn)行。因此，在滿足控制精度的前提下，可將PID控制的范圍縮小到設(shè)定溫度的177。1℃之內(nèi)。范圍縮小后，PID參數(shù)容易調(diào)整，控制效果明顯增強(qiáng)。經(jīng)過調(diào)試后PID參數(shù)分別為Proportion = 10，Integral = 8，Derivative =6。PWM波的周期越短，控制的精度越高。但PWM波形的輸出需要單片機(jī)中斷程序進(jìn)行控制，中斷頻率過高會(huì)干擾單片機(jī)中主程序的運(yùn)行。測溫模塊18B50對(duì)時(shí)間的要求非常嚴(yán)格，因此測溫模塊讀取數(shù)據(jù)期間會(huì)與中斷程序沖突。若18B20讀數(shù)期間允許中斷中斷會(huì)導(dǎo)致其溫度輸出出現(xiàn)大量錯(cuò)誤；若不允許中斷會(huì)導(dǎo)致PWM波周期頻繁變化。經(jīng)過調(diào)試，將PWM波周期設(shè)為5s。七、 數(shù)據(jù)測試與處理室溫狀態(tài)下，分別用溫度計(jì)與18B20傳感器檢測水溫，得到結(jié)果分別為?！妫?，在誤差允許的范圍內(nèi)，滿足要求。：令測溫系統(tǒng)工作，設(shè)定溫度分別為50℃，60℃, 80℃，每10s記錄一次顯示屏幕上的數(shù)據(jù)，繪制其溫度變化曲線，并計(jì)算溫度控制的超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差。溫度數(shù)據(jù)及曲線如下：（1） 目標(biāo)溫度50度：時(shí)間（10s）01234567溫度（℃）303032時(shí)間（10s）89101112151718溫度（℃）時(shí)間（10s）1920212324252627溫度（℃）45時(shí)間（10s）2829303132333435溫度（℃）時(shí)間（10s）3639404346515457溫度（℃）時(shí)間（10s）6063646668697072溫度（℃）50時(shí)間（10s）7578818487889091溫度（℃）5050時(shí)間（10s）92 溫度（℃）50 %（2） 目標(biāo)溫度60度：時(shí)間（10s）01234567溫度（℃）5055時(shí)間（10s）89101112131415溫度（℃）時(shí)間（10s）1617181920212427溫度（℃）時(shí)間（10s）3032333436374041溫度（℃）6060時(shí)間（10s）4245474850525354溫度（℃）6060時(shí)間（10s）5657 溫度（℃） %（3） 目標(biāo)溫度80度：時(shí)間（10s）01234567溫度（℃）60時(shí)間（10s）891011121315溫度（℃）時(shí)間（10s）1819212223242526溫度（℃）77時(shí)間（10s）2728293031323334溫度（℃）時(shí)間（10s）35363739404142溫度（℃）時(shí)間（10s）4344454647484950溫度（℃）8080時(shí)間（10s）5152535455565758溫度（℃）80時(shí)間（10s）5960616263 溫度（℃）80808080 %由以上溫度曲線可以看出，水溫能夠保持在設(shè)定溫度上下，控制過程中超調(diào)量4%,且穩(wěn)態(tài)時(shí)的誤差在為177?！?，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。八、 設(shè)計(jì)總結(jié)通過本次應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在很大程度上提高了我們的獨(dú)立思考、分析判斷以及動(dòng)手實(shí)踐能力，也對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程以及設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題有了初步的認(rèn)識(shí)，加深了我們對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。出于對(duì)自身知識(shí)及可獲取的學(xué)習(xí)資源的考慮，我組本次電子綜合設(shè)計(jì)的選題最終定為水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該題目為往年電設(shè)題目，參考資料較易獲取且基本未超出我們現(xiàn)掌握的知識(shí)水平。在參考了書本及網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)計(jì)思想之后，我們確定了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案初稿，并討論了設(shè)計(jì)方案的可行性。討論確定出實(shí)驗(yàn)所需器材以及組員的分工,由一名組員進(jìn)行程序的編寫，另外兩名組員進(jìn)行硬件電路的焊接及調(diào)試。經(jīng)過幾次檢查、調(diào)試以及修改之后，基本實(shí)現(xiàn)了本次設(shè)計(jì)的部分預(yù)期目標(biāo)：可通過LCD顯示屏顯示溫度目標(biāo)值與實(shí)時(shí)溫度，可以通過鍵盤調(diào)整目標(biāo)溫度的數(shù)值等功能。在系統(tǒng)調(diào)試過程中，遇到一些問題：，所購萬用板太小，無法滿足實(shí)驗(yàn)要求，之后又換用了一個(gè)較大的萬用板。在最小系統(tǒng)焊接完成后，由于沒有搞清楚按鍵的內(nèi)部接線，使單片機(jī)一直處于復(fù)位狀態(tài)，無法正常工作，后用萬用表排查出該錯(cuò)誤。，開始的設(shè)計(jì)方案是用光電耦合器配合雙向晶閘管利用PWM波控制加熱功率來實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定，但在硬件實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)控制導(dǎo)通無法實(shí)現(xiàn)，且電壓、電流余量有限，不能滿足設(shè)計(jì)要求。便換用了固態(tài)繼電器配合三極管來實(shí)現(xiàn)功率控制。，發(fā)現(xiàn)由于水溫分布不均勻，溫度傳感器無法及時(shí)檢測到水溫變化以改變加熱功率，減小超調(diào)量，又在原系統(tǒng)中增加了電機(jī)攪拌器以使水溫分布均勻。4. 在PID參數(shù)整定中，發(fā)現(xiàn)初始的PID算法過于簡單，造成被控變量誤差與穩(wěn)定性均較差。普通的位置PID算法很難滿足水溫控制系統(tǒng)的要求。查閱資料后，縮小了PID控制的范圍，在滿足控制精度的前提下，溫控范圍縮小到設(shè)定溫度的177。1℃之內(nèi)。范圍縮小后，PID參數(shù)容易調(diào)整，控制效果明顯增強(qiáng)。這些問題的解決幫助我們?nèi)诤纤鶎W(xué)的知識(shí)，極大提高了我們動(dòng)手能力。通過對(duì)本設(shè)計(jì)的反思總結(jié)，加深了對(duì)機(jī)械，單片機(jī)，自動(dòng)控制等多方面知識(shí)的理解，也激發(fā)了我們對(duì)電子設(shè)計(jì)的極大興趣，這對(duì)我們以后的學(xué)習(xí)生活有著十分重要的作用。 九、 參考文獻(xiàn)1. 劉海成.《AVR單片機(jī)原理及測控工程應(yīng)用》 .北京航空航天大學(xué)出版社2. 周潤景 劉曉霞.《單片機(jī)實(shí)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真經(jīng)典實(shí)例》.電子工業(yè)出版社3. 謝維成 楊加國.《單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)》.清華大學(xué)出版社4. 大學(xué)生電
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