【正文】 溫度和使用 PWM 控制加熱器 這兩種都是非線性的時(shí)變的所以唯一切實(shí)可行的方法就是通過仿真或?qū)嶒?yàn)加以研究 圖 7Simulink 仿真閉環(huán)系統(tǒng)框圖顯示了 Simulink 情況下的閉環(huán)系統(tǒng)框圖其中包括 AD 轉(zhuǎn)換和使用標(biāo)準(zhǔn) Simulink 量化飽和塊建立的飽和量化模型建立 PWM調(diào)制模型比較復(fù)雜需要一 個(gè)自定義的 S 函數(shù)來表示 圖 7 仿真閉環(huán)系統(tǒng)框圖 這種仿真模型已經(jīng)被證明在衡量不同的 PWM 基本參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的影響以及適當(dāng)參數(shù)的選擇中特別有用即時(shí)間越長(zhǎng) PWM 調(diào)制會(huì)產(chǎn)生更多溫度誤差另一方面時(shí)間越長(zhǎng)繼電器抖動(dòng)機(jī)率越小 PWM 調(diào)制方法往往很難讓學(xué)生掌握并且仿真模型允許研究測(cè)試運(yùn)行和明顯的影響 5 結(jié)論 本文的目的是描述一個(gè)跨學(xué)科的本科工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目一個(gè)基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)包括設(shè)定點(diǎn)輸入數(shù)字與設(shè)定值實(shí)際溫度顯示本文已描述了這樣系統(tǒng)的一個(gè)設(shè)計(jì)并且討論了許多來自工程的問題這些問題的解決通常需要入門課程要求的知識(shí)尤其是 在老師的建議和監(jiān)督下實(shí)際上可以促進(jìn)大學(xué)生發(fā)展 從教學(xué)方法觀點(diǎn)看問題的理想特征包括微控制器和外圍設(shè)備的簡(jiǎn)單使用有效地運(yùn)用導(dǎo)論水平的物理系統(tǒng)建模和設(shè)計(jì)閉環(huán)控制并需要相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)和模擬詳細(xì)的性能預(yù)測(cè)并可取的是一些技術(shù)相關(guān)方面的問題包括熱敏電阻和溫度傳感器分別需要知識(shí)脈寬調(diào)制和校準(zhǔn)技術(shù)的實(shí)際使用單片機(jī)選擇和開發(fā)系統(tǒng)的使用以及并印制電路設(shè)計(jì) 參考文獻(xiàn) [1]朗斯道夫 M 拉爾 D 舒克曼和 P 萊因哈特顯微鏡載玻片干燥劑溫控器 1997屆全國(guó)大學(xué)生研究奧斯汀德克薩斯州四月 1997 海報(bào)介紹 [ 2 ]摩托羅拉公司鳳凰城亞利桑那溫度 測(cè)量和使用它的顯示 mc68hc05b4和 mc14489 1990 摩托羅拉 semiconductor application note an431 [ 3 ]摩托羅拉公司鳳凰城亞利桑那 hc05 單片 機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)使用mc68hc705j1a1995 摩托羅拉半導(dǎo)體應(yīng)用筆記 an1238 [ 4 ]摩托羅拉公司鳳凰城亞利桑那 hc05mcu 鍵盤解碼技術(shù)使用mc68hc705j1a1995 摩托羅拉半導(dǎo)體應(yīng)用筆記 an1239 [ 5 ]摩托羅拉公司鳳凰城亞利桑那快速集成開發(fā)環(huán)境用戶手冊(cè) 1993 快速是由寶潔微機(jī)系統(tǒng)有限公司 1 。C 120s 表 1 溫度控制器的規(guī)格說明 盡管表 1 部分說明并不明確但是它清楚的反映了人們對(duì)數(shù)字顯示器在設(shè)定值和實(shí)際溫度的要求和溫度應(yīng)該通過數(shù)值輸入來設(shè)定而不是通過電位器設(shè)置 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)微控設(shè)計(jì)數(shù)字溫度顯示和單點(diǎn)輸入的要求可能是最合適的圖 2 為學(xué)生的設(shè)計(jì)框圖 圖 22 溫度控制器硬件結(jié)構(gòu)圖 摩托羅拉 MC68HC705B16簡(jiǎn)稱 6805是系統(tǒng)的核心它通過一個(gè)簡(jiǎn)單的 4鍵小鍵盤對(duì)溫度進(jìn)行設(shè)定同時(shí)使用兩個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)控制 7段 LED數(shù)碼管來顯示定值和氣室溫度的測(cè)量值 所有這些輸入和輸出信號(hào)與 6805 的并行口相連氣室的溫度值使用預(yù)校準(zhǔn)熱敏電阻測(cè)量并通過 6805的數(shù)模轉(zhuǎn)換輸入最后 6085的脈沖寬度調(diào)制 PWM輸出用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)繼電器以控制線性電阻加熱器的閉合和斷開 圖 3更詳細(xì)的顯示了 6805的接口和電子器件使用暴風(fēng) 3K041103型號(hào)四鍵鍵盤通過 PA0PA3 端口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入其中一個(gè)重要的功能是進(jìn)行模式切換兩種模式固定模式和運(yùn)行模式在固定模式下其他兩個(gè)鍵用于設(shè)定溫度一個(gè)增加一個(gè)減少第四個(gè)按鍵暫無作用 LED 顯示屏由哈里斯半導(dǎo)體 ICM7212 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)通過PB0PB6端口與芯片相連 作為輸出熱敏電阻由電壓分頻器驅(qū)動(dòng)通過 AN0針腳八個(gè)模擬輸入端口中的一個(gè)相連最后 PLMA 針腳兩個(gè) PWM 輸出端口中的一個(gè)驅(qū)動(dòng)加熱繼電器 圖 23 單片機(jī)原理圖 圖 3 單片機(jī)原理圖是關(guān)于用軟件實(shí)現(xiàn)溫度控制算法保持溫度顯示以及改變鍵盤輸入響應(yīng)這將不會(huì)在本文詳細(xì)討論因?yàn)檫@并不是本文的重點(diǎn)也沒有編譯完成軟件部分還沒有確定控制算法但很可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的比例控制比 PID 算法簡(jiǎn)單一些控制設(shè)計(jì)的問題將在第四節(jié)討論 設(shè)計(jì)過程 雖然該項(xiàng)目的本質(zhì)是建立一個(gè)恒溫器但它有許多很好的契機(jī)可以供教學(xué)借鑒高級(jí)工程本科教育的知識(shí)只是能夠讓學(xué)生 們具有解決問題的能力然而很多情況下實(shí)際情況卻和理論有些不同不過這些不是問題參與這個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)將獲得很多設(shè)計(jì)方面的寶貴經(jīng)驗(yàn)本節(jié)的其余部分著眼于其他的幾個(gè)方面 41 節(jié)討論系統(tǒng)的一些特征簡(jiǎn)化系統(tǒng)熱性能的數(shù)學(xué)模型以及一些簡(jiǎn)單理論的證明 42 節(jié)介紹確定實(shí)際控制算法 43 節(jié)指出控制設(shè)計(jì)程序的一些不足并通過模擬環(huán)境指出怎樣克服問題 41 數(shù)學(xué)模型 集總元件熱系統(tǒng)符合線性控制適用于載玻片干燥機(jī)的問題圖 4 顯示了二階集總元件熱量模型的載玻片干燥機(jī)狀態(tài)變量是溫度 Ta是箱內(nèi)空氣的溫度 Tb是箱子本身的溫度該系統(tǒng)輸入功率等于 q t 的熱量和環(huán) 境溫度 T 的和 mamb 分別對(duì)應(yīng)空氣和箱子的質(zhì)量 Ca 和 Cb 則分別是其對(duì)應(yīng)熱量 m1和 m2 分別是空氣與箱子間以及箱子與外界間的傳熱系數(shù) 圖 4 集總元件熱模型 由圖 4 可以推出線性狀態(tài)方程 拉普拉斯變換 1 和 2 等式并整理 Ta s 有趣的是可以推出一個(gè)開環(huán)的熱系統(tǒng)方程 其中 K是一個(gè)常數(shù) D s 是一個(gè)二階的多項(xiàng)式 Kτ z以及系數(shù) D s 和在 1 和 2 等式中出現(xiàn)的系數(shù)功能相近當(dāng)然在 1 和 2 等式中各種參數(shù)在未知的情況下不難證明 D s 與其他參數(shù)的值無關(guān)具有兩個(gè)零點(diǎn)因此傳遞函數(shù)可以寫成我們假設(shè)環(huán)境溫度為常數(shù) 此 外可以推出 1τ p1 1τ z 1τ p2 即零點(diǎn)在兩極之間開環(huán)零極點(diǎn)如圖 5 所示 圖 5 Gaq s 的零極點(diǎn) 為了獲取完整的熱模型從 3 式中除去常數(shù) K 和 3 個(gè)未知的時(shí)間常數(shù)四個(gè)未知參數(shù)并不少但由簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)表明 1τ p1 1τ z1τ p2 統(tǒng)基本上是一階函數(shù)且τ zτ p2 近似為 0 因此開環(huán)系可以寫成 下標(biāo) p1 已經(jīng)被去掉了 過初始溫度和熱量值大范圍內(nèi)的設(shè)置簡(jiǎn)單的開環(huán)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 K≈ 014τ≈ 295S 42 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 使用 4 式的一階開環(huán)傳遞函數(shù) Gaq s 并且假定加熱器的輸出函數(shù) q t 為線性圖 6 是 系統(tǒng)框圖代表閉環(huán)系統(tǒng) Td s 是設(shè)定溫度的函數(shù) C s 是傳遞函數(shù) Q s 是熱量輸出單位是瓦特 圖 6 簡(jiǎn)化的閉環(huán)系統(tǒng)框圖 圖 6 簡(jiǎn)化的閉環(huán)系統(tǒng)框圖鑒于這種簡(jiǎn)單情況前面所指的線性控制設(shè)置例如根軌跡法設(shè)計(jì)法可以使 C s 中符合要求的階躍響應(yīng)對(duì)應(yīng)的上升時(shí)間穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量符合表格 1 所示當(dāng)然一個(gè)有足夠增益的比例控制器就可以滿足各種要求超調(diào)量改變是不可能既增加增益又減少穩(wěn)態(tài)誤差和上升時(shí)間的不幸的是如果要獲得足夠增益需要生產(chǎn)超過實(shí)際生產(chǎn)能力的大容量加熱器這是本系統(tǒng)的實(shí)際問題將會(huì)致使上升時(shí)間不符合要求這要求學(xué)生們?nèi)绾卫?用這個(gè)經(jīng)過仔細(xì)計(jì)算的簡(jiǎn)化模型在整體性能上達(dá)到最佳控制 模型仿真 該設(shè)計(jì)的大部分性能和限制功能應(yīng)該可以使用圖 6 簡(jiǎn)化模型來完成但有一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)其他方面的影響并非能夠如此簡(jiǎn)單的仿真其中最主要的是 178。 6099176。C 177。 C 設(shè)定溫度顯示 范圍 精度 6099176?？梢詫?duì)空氣室的溫度進(jìn)行設(shè)定 178。 displaying both setpoint and actual temperatures 178。 allowing a chamber temperature setpoint to be entered 178。 the use of PWM to control the heater Both of these are nonlinear and timevarying effects and the only practical way to study them is through simulation or experiment of course Figure 7 shows a SimulinkTM block diagram of the closedloop system which incorporates these effects AD converter quantizatio