【正文】 的三極管8550放大倍數(shù)更大的管子，但是查閱了一些手冊后發(fā)現(xiàn)，8550在同等價格的三級管里放大倍數(shù)已經(jīng)不小了。但是，在電路焊好之后，我發(fā)現(xiàn)了一個問題——繼電器無法打開，但是與繼電器并聯(lián)的發(fā)光二極管卻可以正常工作。在本報告的最后附有整完整的KEIL程序。因此我將PWM的信號周期分為100份，設(shè)計數(shù)器counter，當counter=low_time時發(fā)低電平信號，為水加熱；其余部分為高電平，不加熱。這些數(shù)據(jù)再經(jīng)matlab處理，即可以畫出溫度變化曲線。將溫度數(shù)據(jù)傳回電腦利用串口實現(xiàn)，波特率為9600。利用該值計算低電平數(shù)，即加熱的時間。利用公式： 。若大于2℃，直接令low_time=100。圖85為主程序流程圖。因此在設(shè)一個計數(shù)器。根據(jù)實際試驗，每一次實驗時間大約5min左右。由于采用12864LCD，因此每一屏只能打128個點。然后根據(jù)實時溫度，計算PWM中低電平的時間，即以5s為一個周期，加熱的時間。因此，我設(shè)了一個計數(shù)器cycle。定時器1的定時時間為50ms。 軟件設(shè)計 主程序 在主程序中，先定義變量、并對中斷、顯示模塊、測溫DS18BPWM等模塊進行初始化設(shè)置。 顯示電路 由于選用的是銘正同創(chuàng)12864顯示模塊，在仿真軟件Proteus 7 Professional的元件庫中沒有該模型，因此該部分沒有進行仿真。 加熱電路圖83 加熱電路圖中R5即為加熱棒，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合至常閉端，電路開始加熱。當P1。 繼電器電路圖82 繼電器電路，經(jīng)三極管8550放大電流后，與繼電器線圈端相連，與此同時，在線圈端，并上一個發(fā)光二極管，當電路正在加熱時，二極管發(fā)光，這樣更加易于監(jiān)測電路。而繼電器控制簡單，電路簡單，同時成本很低，基本可以完成PID的控制需要，因此在本實驗中選用繼電器進行控制。目前常用的有繼電器和光耦元件。7) 控制環(huán)節(jié)本實驗采用PWM波控制加熱棒的加熱。目前常用的顯示裝置有兩種——LED和LCD，考慮到LED電路較為復(fù)雜，且無法直接繪出溫度曲線，故選用銘正同創(chuàng)12864顯示模塊。但此時芯片無法正常工作；9) DS18B20的轉(zhuǎn)換速率比較高，；10) 適配各種單片機或系統(tǒng)； 加熱裝置 考慮到給水加熱的應(yīng)用環(huán)境及成本等因素，選用220V/150W加熱棒為溫度控制系統(tǒng)加熱。當在10℃~+85℃范圍內(nèi)，℃，在55℃~+125℃范圍內(nèi)，測量誤差也不超過2℃；5) 通過編程可實現(xiàn)9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式；6) 用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值；7) 支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫；8) 負壓特性，即具有電源反接保護電路?？捎脭?shù)據(jù)線供電，供電電壓范圍+~；3) 可用數(shù)據(jù)線供電，供電電壓范圍+~；4) 測溫范圍:55℃~125℃。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS18B20都有了很大的改進，給用戶帶來了更方便和更令人滿意的效果。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。使用DS1SB20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。考慮到前兩種傳感器均需A/D轉(zhuǎn)換電路才可完成測溫，因此選用電路更為簡單、不需外接A/D就可測溫的DS18B20溫度傳感器。 由上面介紹可知，該類型的單片機與普通C51相比，既有速度快、功耗低等優(yōu)點，且片內(nèi)集成PWM及A/D轉(zhuǎn)換電路，功能強大，且程序下載較普通單片機更為簡單，因此選用該型號的單片機。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S一次，即25萬次/秒),??針對電機控制，強干擾場合。其中，子程序主要包括測溫子程序、顯示子程序、PID控制子程序、中斷子程序等等，其詳細功能在圖62中，在此不再贅述。單片機（STC12LE5A60S2）繼電器PWM加熱棒水杯溫度傳感器（DS18B20）LCD液晶屏~PC圖61 硬件結(jié)構(gòu)示意圖 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 我們利用軟件編程實現(xiàn)對于單片機的控制。此外，我們還可以利用單片機使數(shù)據(jù)的返回電腦，從而實現(xiàn)利用電腦做出溫度變化曲線以及數(shù)據(jù)的分析。從而形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 結(jié)構(gòu)設(shè)計 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 按照題目要求，我們用單片機作為控制器，通過編程實現(xiàn)其對溫控控制系統(tǒng)的控制。六、方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計 方案設(shè)計選擇單片機為控制核心，利用溫度傳感器，加熱棒等構(gòu)建溫度控制系統(tǒng)。但是，增量式算法的控制指令全量的累加需要用計算機外的其他的硬件，會增加實驗成本，因此不選用。 Smith預(yù)估控制系統(tǒng)Simulink仿真Simulink仿真圖圖516所示：圖516 Smith預(yù)估Simulink仿真當，加入Smith的相應(yīng)和為加入的響應(yīng)如圖517和518所示：圖517 Smith預(yù)估的Simulink仿真結(jié)果圖517 未加入Smith預(yù)估的Simulink仿真對比圖516和圖517，加入Smith預(yù)估控制的系統(tǒng)要比為加入Smith預(yù)估控制的系統(tǒng)穩(wěn)定的多。)。ylabel(39。time(s)39。)。,time,yout,39。endplot(time,rin,39。u_0=u(k)。u_2=u_1。u_4=u_3。ym_1=ym(k)。 e2_1=e2(k)。 ei=ei+Ts*e2(k)。 I=。 %加入延遲yout(k)=den(2)*y_1+num(2)*u_5。 %輸入信號 xm(k)=den1(2)*xm_1+num1(2)*u_1。 for k=1:1:350 time(k)=k*Ts。ym_1=。ei=0。e2=。u_5=。u_3=。u_1=。)。[num1,den1]=tfdata(dsys1,39。zoh39。,tol1)。sys1=tf([kp1],[Tp1,1],39。Tp1=Tp。)。[num,den]=tfdata(dsys,39。zoh39。,tol)。sys=tf([kp],[Tp,1],39。Tp=66。圖513 溫度控制系統(tǒng)Simulink仿真圖（Kp=3,Ki=,Kd=0） Smith預(yù)估控制系統(tǒng) Smith預(yù)估控制系統(tǒng)Matlab程序Ts=1。令，時，系統(tǒng)穩(wěn)定，且無超調(diào)，控制效果好。error_2=error_1。u=u_1+du。errori=error2*error_1+error_2。 error=u2。ki=。令，可以達到系統(tǒng)無超調(diào)，無穩(wěn)態(tài)誤差的良好控制效果，如下圖所示：圖511 水溫控制系統(tǒng)PID 仿真曲線圖（Kp＝3，Ki＝，Kd＝） Simulink仿真 增量式PID的Simulink仿真圖如圖512所示：圖512 位置式PID仿真圖MATLAB Function中的函數(shù)如下：function [u]=pidsimf(u1,u2)persistent pidmat errori error_1 error_2 u_1 if u1==0 errori=0 error_1=0 error_2=0 u_1=0end ts=1。圖510 水溫控制系統(tǒng)PID 仿真曲線圖（Kp＝5，Ki＝，Kd＝）上圖可以看出，系統(tǒng)超調(diào)約為11%，調(diào)節(jié)時間約為50s，基本滿足要求。 Matlab仿真結(jié)果首先，按照上回計算的，令。rin,yout39。)。)xlabel(39。,time,yout,39。endplot(time,rin,39。 error_2=error_1。 x(2)=error(k)2*error_1+error_2。y_1=yout(k)。 y_3=y_2。u_2=u_1。u_4=u_3。 u_6=u_5。%增量式PID u(k)=u_1+du(k)。Ki=。 Kp=6。 yout(k)=den(2)*y_1+num(2)*u_6。error_2=0。x=[0,0,0]39。y_2=0。u_6=0。u_4=0。u_2=0。)。[num,den]=tfdata(dsys,39。z39。,5)。sys=tf([1],[60,1],39。當，時，系統(tǒng)穩(wěn)定，且無超調(diào)，控制效果好。若按原參數(shù)仿真，即令，系統(tǒng)發(fā)散。 u=kp*error+kd*errord+ki*errori。errord=(errorerror_1)/ts。kd=0。kp=3。圖56 水溫控制系統(tǒng)PID 控制仿真曲線圖（Kp＝3，Ki＝，Kd＝）但是該離散PID的仿真模型是封裝好的，無法看清其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此我利用Simulink的Matlab Function模塊，通過編寫M文件的方式實現(xiàn)位置式PID的方針。 Simulink仿真首先利用Simulink的集成模塊來進行仿真。圖53 水溫控制系統(tǒng)PID 仿真曲線圖（Kp＝3，Ki＝，Kd＝）從上圖可以看出，超調(diào)量小于5%，對應(yīng)5%誤差度，調(diào)節(jié)時間約為25s。為改善調(diào)節(jié)效果，可以減小比例環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合試湊法確定PID參數(shù)，進行Matlab仿真。經(jīng)計算。按照上面介紹的步驟，增大使系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩。b39。k39。endfigure(1)。%參數(shù)D x(3)=x(3)+error(k)*ts。 x(1)=error(k)。y_2=y_1。u_1=u(k)。u_3=u_2。u_5=u_4。%位置式PID控制信號 error(k)=rin(k)yout(k)。Kd=。 Kp=。 yout(k)=den(2)*y_1+num(2)*u_6。error_1=0。y_3=0。y_1=0。u_5=0。u_3=0。u_1=0。v39。)。%傳遞函數(shù)dsys=c2d(sys,ts,39。inputdelay39。ts=1。如果足夠大，系統(tǒng)講不穩(wěn)定，這就是大延遲過程難于控制的本質(zhì)。其特征方程為。Smith提出了一種純滯后補償模型，其原理為，與PID控制器并接一個補償環(huán)節(jié)，該補償環(huán)節(jié)稱為Smith預(yù)估器。因此，如果系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)具有這個功能，采用增量算法是很方便的。增量式算法帶來的主要問題是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置也就是控制指令全量的累加需要用計算機外的其他的硬件(如步進電機)實現(xiàn)。因為一旦計算機出現(xiàn)故障，輸出控制指令為零時，執(zhí)行機構(gòu)的位置（如閥門的開度）仍可保持前一步的位置，不會給被控對象帶來較大的擾動。由式（13）可以得到（k1）次的PID輸出表達式： （14）由式（13）和（14）可得 （15）該式為增量式PID算法?？紤]到這種情況，在工業(yè)應(yīng)用中，還采用一種增量式算法。由于要累計誤差，占用內(nèi)存較多，并且安全性較差。按位置算法構(gòu)成的計算機控制系統(tǒng)如圖31所示。通過實驗，不難得出延遲時間，其余數(shù)據(jù)如下表：參數(shù)組別12722426054故。我們先做好了部分硬件，意圖通過實驗來完成數(shù)學模型的建立。在實際實驗過程中，發(fā)現(xiàn)用加熱棒加熱，會因加熱不均，而產(chǎn)生遲滯，故而，最終的傳遞函數(shù)應(yīng)為： （36）故水溫加熱環(huán)節(jié)為一階慣性遲滯環(huán)節(jié)。能量平衡式： （