【導(dǎo)讀】JamesSMcDonald. TrinityUniversity. SanAntonioTX78212. Abstract. systemsengineering. 1Introduction. 2ProblemStatement

　　

【正文】 更多詳細(xì)情況包括性能規(guī)格第 3節(jié)具體學(xué)生的設(shè)計(jì)第 4節(jié)是論文的主體討論該設(shè)計(jì)在教學(xué)應(yīng)用方面的實(shí)施問題最后第 5 節(jié)全文總結(jié) 2 問題闡述 該項(xiàng)目基本的思想是設(shè)計(jì)一 個自定義溫度控制系統(tǒng)來取代相關(guān)的歐米茄CN390 溫度控制器溫度時通常保持在一個穩(wěn)定的常數(shù)但重要的是階躍變化可以被合理的跟蹤因此主要要求如下 178。可以對空氣室的溫度進(jìn)行設(shè)定 178。同時顯示設(shè)定值和實(shí)際溫 178。以及在設(shè)定溫度值情況下可接受范圍內(nèi)的跟蹤階躍變化穩(wěn)態(tài)誤差超調(diào)量 設(shè)定溫度接口 范圍 精度 6099176。 C 1176。 C 設(shè)定溫度顯示 范圍 精度 6099176。 C 1176。 C 室內(nèi)溫度顯示 范圍 精度 準(zhǔn)確度 6099176。 C 1176。C 177。 1176。 C 室內(nèi)溫度階梯響應(yīng) 范圍穩(wěn)定狀態(tài) 精度穩(wěn)定狀態(tài) 最大超調(diào) 設(shè)定時間到177。 1176。 6099176。 C 177。 1176。C 1176。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簡稱 6805是系統(tǒng)的核心它通過一個簡單的 4鍵小鍵盤對溫度進(jìn)行設(shè)定同時使用兩個顯示驅(qū)動控制 7段 LED數(shù)碼管來顯示定值和氣室溫度的測量值 所有這些輸入和輸出信號與 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)動一個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型號四鍵鍵盤通過 PA0PA3 端口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入其中一個重要的功能是進(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鍵用于設(shè)定溫度一個增加一個減少第四個按鍵暫無作用 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)動通過 AN0針腳八個模擬輸入端口中的一個相連最后 PLMA 針腳兩個 PWM 輸出端口中的一個驅(qū)動加熱繼電器 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簡單的比例控制比 PID 算法簡單一些控制設(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)是建立一個恒溫器但它有許多很好的契機(jī)可以供教學(xué)借鑒高級工程本科教育的知識只是能夠讓學(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方面 41 節(jié)討論系統(tǒng)的一些特征簡化系統(tǒng)熱性能的數(shù)學(xué)模型以及一些簡單理論的證明 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 分別對應(yīng)空氣和箱子的質(zhì)量 Ca 和 Cb 則分別是其對應(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開環(huán)的熱系統(tǒng)方程 其中 K是一個常數(shù) D s 是一個二階的多項(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 個未知的時間常數(shù)四個未知參數(shù)并不少但由簡單的實(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 簡化的閉環(huán)系統(tǒng)框圖 圖 6 簡化的閉環(huán)系統(tǒng)框圖鑒于這種簡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)對應(yīng)的上升時間穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量符合表格 1 所示當(dāng)然一個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)際問題將會致使上升時間不符合要求這要求學(xué)生們?nèi)绾卫?用這個經(jīng)過仔細(xì)計(jì)算的簡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 簡化模型來完成但有一個數(shù)據(jù)對閉環(huán)系統(tǒng)其他方面的影響并非能夠如此簡單的仿真其中最主要的是 178。量化誤差的模擬和數(shù)模轉(zhuǎn)換 178。測量溫度和使用 PWM 控制加熱器 這兩種都是非線性的時變的所以唯一切實(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間越長 PWM 調(diào)制會產(chǎn)生更多溫度誤差另一方面時間越長繼電器抖動機(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試運(yùn)行和明顯的影響 5 結(jié)論 本文的目的是描述一個跨學(xué)科的本科工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目一個基于單片機(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)控制并需要相對簡單的實(shí)驗(yàn)和模擬詳細(xì)的性能預(yù)測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屆全國大學(xué)生研究奧斯汀德克薩斯州四月 1997 海報介紹 [ 2 ]摩托羅拉公司鳳凰城亞利桑那溫度 測量和使用它的顯示 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 1993 快速是由寶潔微機(jī)系統(tǒng)有限公司 1