【正文】 end if Save for next cycle p（ KTT） =p（ KT） e（ KTT） =e（ KT） Wait for next cycle END DO END This algorithm was implemented using C language. The controller output is limited to be within MIN and MAX in order to avoid integral saturation. The response of the system with the PI controller is shown in Fig 7 .In this example, the set point was 30 and the temperature reached this value with no overshoot and no steadystate errors. One of the advantages of using the ZieglerNichols method is that it yields a satisfactory response with little effort . Fig 7: Response of the system with PI controller Some puter packages such as the ExperTune by Top Control run on a PC ,analyse a system in real time and provide an optimum set of PID controller parameters .With the availability of such packages it should take much less time to tune a PID controller satisfactorily. Conclusion The design of a lowcost digital temperature control kit has been described .The aim in designing this kit was to teach engineering students the practical applications of the theory they are taught in the classroom. The kit is designed using standard lowcost ponents which are readily available in most electronic ponent shops .Another advantage of the kit is that it enables the students to experiment and learn the microcontrollers which are used extensively in most intelligent electronic control projects .The kit is plemented with a laboratory manual which is written to help the students follow the experiments in an orderly way. Other control algorithms and design procedures such as statespace techniques can be developed for the kit. It is also hoped to develop other automation kits in the near future ,such as level control systems ,flow control systems ,servo control systems and so on . References 外文翻譯中文 基于單片機(jī)的低成本教學(xué)數(shù)字溫度控制器 摘要 ：這種低成本的數(shù)字溫度控制器的設(shè)計(jì)可以被這樣描述。這一器件在控制實(shí)驗(yàn)室是非常有用的，對(duì)于學(xué)生可以作為數(shù)字控制系統(tǒng)理論的一個(gè)補(bǔ)充。對(duì)于仿真器來說也是如此。 這些仿真器是以交互式的盒裝計(jì)算機(jī)的形式應(yīng)用于 工業(yè)，研究實(shí)驗(yàn)室以及各種大學(xué)院校。目前，像 TUTSIM，20sim， program CC， VisSim， Extend 和 MATLAB 這樣的軟件包在計(jì)算機(jī)的平臺(tái)上是非常有用的，絕大多數(shù)的大學(xué)院校都把這些軟件的花費(fèi)作為其中的一項(xiàng)預(yù)算。 在控制系統(tǒng)的理論教學(xué)中仿真器是一種非常有用的工具。類似地，當(dāng)你使用了一個(gè)仿真器的幫助功能時(shí)，你就能很容易地知道一個(gè)系統(tǒng)的相應(yīng)時(shí)間和頻率。計(jì)算機(jī)中的一些例子也許并不適宜的或者是系統(tǒng)太復(fù)雜而不能用計(jì)算機(jī)中的數(shù)學(xué)等式來描述。仿真器仍然會(huì)在分析的最初水平上被使 用但是這并不能取代現(xiàn)實(shí)中的物理實(shí)驗(yàn)。 物理實(shí)驗(yàn)室里的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的一個(gè)主要問題是價(jià)格通常是很貴的，尤其是教學(xué)上的一些相類似的器件。隨著新產(chǎn)品的不斷產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)室中的儀器更新是相當(dāng)快的。這種儀器是基于當(dāng)前非常流行的 PIC16F877 的單片機(jī)模型，是由一家集成電 路公司制造的。本文將詳細(xì)描述這種溫度控制器件的設(shè)計(jì)，模型和數(shù)字控制。許多實(shí)驗(yàn)室器件的制造廠商也會(huì)提供一些全程控制或者是溫度控制器件。 TCL1 當(dāng)然也是基于溫度控制教學(xué)器件的。在這里，溫度控制系統(tǒng)是采用了流 動(dòng)的水和簡(jiǎn)易的 PID控制來實(shí)現(xiàn)的。這種單元可以直接與計(jì)算機(jī)相連接，并且由 PID 控制器，電源放大器和溫度傳感器組成。沒有現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們就用 MATLAB 軟件包來進(jìn)行設(shè)計(jì)，仿真和測(cè)試他們的控制理論。設(shè)計(jì)控制器而不是去市場(chǎng)山購(gòu)買控制器的主要原因是因?yàn)榛ㄙM(fèi)。實(shí)驗(yàn)室器件的一個(gè)目標(biāo)是價(jià)格便宜，但是在工業(yè)試驗(yàn)中能夠確保使用的可靠性。 圖 1 顯示的是數(shù)字溫度控制器的原理圖。將溫度傳感器放在水中，它可以將外界的信號(hào)傳送到直插式的單片機(jī)中。 圖 1：溫度控制器的原理圖 這一過程可以用來把以下重要的概念教給學(xué)生： 物理過程的模型和等效性 使用 ZieglerNichol的方法 在自動(dòng)化控制過程中 單片機(jī)的使用 PID 控制器的發(fā)展和實(shí)驗(yàn) 圖 2 顯示的實(shí)驗(yàn)控制器的模型圖。圓形塑料容器是用來儲(chǔ)存水的。溫度傳感器是用低成本的半導(dǎo)體元件做成的，它能夠被內(nèi)部的玻璃管保護(hù)。這種加熱設(shè)備的電壓是 12V，通過的電流是 10A，并且能夠提供 120W的功率。在實(shí)驗(yàn)器 件中使用低壓有一種優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)是安全的因?yàn)闆]有了電震的風(fēng)險(xiǎn)。這電路圖是非常的簡(jiǎn)單，僅僅有幾部分組成。 圖 3：溫度控制器的電路原理圖 溫度傳感器： 試驗(yàn)中使用的溫度傳感器是 3 個(gè)引腳的半導(dǎo)體傳感器，它有一個(gè)直接與溫度相對(duì)應(yīng)的輸出電壓。 數(shù)字輸出傳感器的使用通常是可以選擇的，但是它們一般都比較貴，因此使用模擬的傳感器和教學(xué)生 A/D 轉(zhuǎn)化器的實(shí)際應(yīng)用是很有必要的。過程控制算法要求使用浮點(diǎn)算術(shù)以及用它作為結(jié)果。低成本的另一個(gè)要求是建立一個(gè)脈寬輸出調(diào)節(jié)（ PWM），它能夠線性啟動(dòng)加熱電路 。 PIC16F877 微型控制器符合我們的所有要求。這是一種基于 Windows 的低成本放大器，它是微型控制器中的一種。 啟動(dòng)加熱裝置 IRL1004 MOSFET 電源開關(guān)是用來啟動(dòng)加熱裝置的。加熱元件可以和 MOSFET 的引腳相連接，而輸入端是由微型控制器控制的（見圖 3）。 模型 這一系統(tǒng)和先前的系統(tǒng)幾乎是一樣的。 容器的數(shù)學(xué)模型 : 容器的熱平衡等式如下： 系統(tǒng)的輸入熱量 =系統(tǒng)增加的熱量 +系統(tǒng)損失的熱量 假如我們?cè)O(shè)定： m1 =容器中水的質(zhì)量 m2=容器的質(zhì)量 c1=水的比熱 c2=容器的比熱 不考慮通過容器壁，加熱裝置的加熱能力散失的熱量，我們可以列出以下等式： 容器中增加的熱 量 =(m1*c1+m2*c2) dtdT 容器中損失的熱量 =h*A*(TTa) 在這里 Ta是周圍環(huán)境的溫度， A是容器頂部的面積， h是常量，它決定于表面和外界環(huán)境的溫度。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，通過脈寬調(diào)節(jié)輸出的信號(hào)可以使放大器的電壓和電熱器產(chǎn)生的能量?jī)烧叱删€性關(guān)系。其中 M和 S分別是波形的有標(biāo)記部分和空白部分，T 是周期。這波形通常是用來控制 MOSFET 電源開關(guān)，這加熱器與整個(gè)設(shè)計(jì)的工作量密切相關(guān)。我們將 M 稱作波形的工作周期。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們假定頻率為 1kHz，所以周期為 1ms。 等式（ 5）表明放大器信號(hào)的工作周期與加熱器發(fā)出的平均功率成線性關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)例子： 系統(tǒng)的驗(yàn)證 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性不以模型的參數(shù)特性來驗(yàn)證的，而是用反應(yīng)曲線的方法來進(jìn)行驗(yàn)證。然后容器中水的溫度每秒鐘就可以被測(cè)量和記錄一次，通過連接傳感器的輸出與 DrDaq 硬件和 Picolog軟件的電壓輸入。 DrDaq 是一張小小的卡片，它能夠平行地插入個(gè)人計(jì)算機(jī)。 Picolog 軟件能夠在個(gè)人計(jì)算機(jī)里運(yùn)行，并且可以用來記錄 DrDaq 的事實(shí)測(cè)量值。 ZieglerNichols 圖是用來辨認(rèn)系統(tǒng)的一種好方法，如圖 5 所示。 圖 5：使用 Zieglerichols 圖的方法來找到系統(tǒng)參數(shù) 選擇控制算法 因?yàn)?PID 算法被廣泛應(yīng)用于 工業(yè)過程控制領(lǐng)域中，所以我們的控制器也選擇利用 PID 算法來實(shí)現(xiàn)。 標(biāo)準(zhǔn) PID 算法的傳遞函數(shù)是： （ 8） 連續(xù)的 PID 控制的方框圖如圖 6所示，其中 KP是比例增益， Ti是積分時(shí)間常數(shù)， Td 是微分時(shí)間常數(shù)， u（ t）為控制量， e（ t）為被控量 y（ t）與給定量的偏差?？刂破鞯妮敵鱿拗圃谧钚≈岛妥畲笾抵g主要是為了避免積分飽和現(xiàn)象。在這個(gè)例子中，給定的溫度值為 30 攝氏度，并且溫度達(dá)到該值而沒有超越設(shè)定值和沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤。 圖 7：比例積分控制系統(tǒng)的響應(yīng) 一些電腦包像 ExperTune 在個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)并且提供一組可供選擇的 PID 控制參數(shù)。 結(jié)論 低成本的 數(shù)字溫度控制器的設(shè)計(jì)可以被這樣進(jìn)行描述。 這種溫度控制器的設(shè)計(jì)是使用了標(biāo)準(zhǔn)的低成本元器件，這些低成本的元器件在大多數(shù)的電子元件商店都能很容易地購(gòu)買到。這種溫度控制器 有相配套的實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，它能夠幫助學(xué)生運(yùn)用正確的方法做實(shí)驗(yàn)。我希望在不久的將來能夠發(fā)明更多的自動(dòng)化器件，比如水平控制系統(tǒng)，流量控制系統(tǒng)，伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等等