恒温控制算法范文

恒温控制算法范文（精选8篇）

恒温控制算法 第1篇

温度对象在生产、科研与实验中较为常见,因此,对温度量进行控制也十分普遍。采用常规控制方法为基础的仪表实施温度控制时,其适应不同对象的能力差,参数整定工作技术含量高,受温度对象工况变化的影响明显,过渡过程品质指标不理想。模糊控制以有经验的操作人员的控制规则为基础,在一些复杂系统,特别是系统存在定性的、不精确和不确定信息的情况下,取得了较好的控制效果,且与一系列传统的控制方法相比,模糊控制不需要被控对象的精确数学模型。

2 常规控制算法分析

如图1所示,该系统输出量y反馈到输入端组成闭环负反馈自动控制系统。控制的目的是希望该系统能通过控制器Gc(S)的操作使其输出y不断。

当设定值r=700,Kp=0.3,Ki=0.1,Kd=0,采样周期为1秒控制对象为时

温度响应曲线如图2。

常规PID控制器具有结构简单、适用面广等特点理论研究和长期实践都已证明它在过程控制中的有效性是非常显著的[1]。尽管如此,在常规PID控制器的实际应用中仍然存在着一些需要解决的问题。例如,控制系统正式投入运行前的调试工作,其难点就集中在控制器参数的整定上。一方面,人们希望系统不但能正常地运行,而且还具有较高的控制精度。另一方面,控制器参数的整定以前又主要依赖于熟练操作人员的已有经验。因此,造成了人为因素影响的矛盾。

3 模糊控制器设计

模糊控制器最基本的形式是“查询表”方式的模糊控制器,这种控制器将模糊控制规则最终转化为一个查询表,存储在计算机中供在线控制时使用这种控制器具有结构简单,使用方便的特点[2,3]。本文中模糊控制器的设计就采用查询表方法

本文中取:控制对象为一阶滞后系统具有时间常数大、纯滞后时间长、时变性等特性较符合现场

误差E:[-24,24]

误差的变化EC;[-0.06,0.06]

控制量U:[-14,14]

3.1 模糊控制器的结构

在大量的控制领域问题中,消除被控对象或被控过程的输出偏差问题,是相当普遍的一大类控制问题。设计模糊控制器的结构,一般选择输入变量为误差E及误差的变化EC,输出变为控制量U。[4,5,6]

对误差E,误差变化EC及控制量U的模糊集及其论域定义

E、EC、U的模糊集均为

E和EC的论域均为

U的论域为

3.2 模糊控制系统仿真研究

控制对象为一阶滞后系统

其中K=10s,T=4s,τ=1s,采样时间为1秒

当Ke=0.25时仿真结果,如图

4 PID控制与模糊控制仿真比较

常规PID控制具有滞后的被控对象时,各个参数整定比较困难,同时控制效果与理想模型仿真不同。

根据实际情况,工业现场存在一定干扰,而实际控制中要尽量减少干扰的影响。

通过仿真结果得出对一阶纯滞后、大惯性、时变性明显的恒温炉温度控制在本文中所涉及的场合下模糊控制优于PID控制。

5 结束语

可以看出PID仿真结果加热时间短、超调大,根据实际情况过度时间短是无法实现的,同时现场会受到各种干扰,所以P ID为理想的模型实现受很多条件的制约。模糊控制仿真结果超调较小,过度时间符合实际情况,有较强的抗干扰能力,模糊控制具有优良的抗干扰性。在系统受到干扰时,模糊控制的扰动幅度明显小于常规的PID控制,而工业恒温炉控制场合经常会受到干扰,仿真结果说明对于恒温炉的控制模糊控制算法比PID算法更为合适。

摘要：本论文以工业恒温电炉为被控对象,采用模糊控制算法,主要研究了温度模糊控制器的设计,并对所设计的模糊控制器的控制效果进行了计算机仿真,仿真结果证明了本论文所研究内容的正确性及有效性。

关键词：模糊控制,温度,仿真

参考文献

[1]薛定宇著.控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言与应用(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2005:372-378.

[2]诸静.模糊控制理论与系统原理[M].北京:机械工业出版社,2005:1-120.

[3]KIM E.A fuzzy disturbance observer and its ap-plication to control[J].IEEE Trans.on Fuzzy Systems,2002,10(1):77-84.

[4]刘金琨著,先进PID控制MATLAB仿真[M],北京:电子工业出版社,2004,9.

[5]宋子巍、陈思忠、杨林,模糊-PID控制的MATLAB仿真分析,科技资讯,2006(3).

恒温恒湿空调智能控制策略论文 第2篇

1）温湿度目标需求算法需求＝[(检测值－设定值)/精度]×100%。

2）带限值的PID算法利用温湿度检测值与设定值偏差的比例积分微分进行反馈控制，通过P（比例）算法控制温湿度偏差，I（积分）算法控制温湿度变化时间长度，D（微分）算法控制温湿度变化的速率，表达式如下：式中，u(k)为第k次采样时刻的温度（湿度）控制输出（带限值）；uP(k)为第k次采样时刻的P作用（带限值）；uI(k)为第k次采样时刻的I作用（带限值）；uD(k)为第k次采样时刻的D作用（带限值）；e(k)为第k次采样时刻的温度（湿度）偏差；T为采样周期；Ti为温度（湿度）积分参数；e(j)为第1次到第k次采样时刻的温度（湿度）偏差；TD为温度（湿度）微分参数；e(k-1)为第k-1次采样时刻的温度（湿度）偏差。

3）变容量制冷为解决压缩机启停带来的温湿度惯性，压缩机初始以20%的频率运行，当室内环境制冷量需求变化时，根据目标需求和PID控制算法，压缩机升频或降频至计算频率，同时改变EC风机转速，线性调节风量，压缩机和风机配合输出精确的冷量。

4）无级调节加热为解决电加热启停带来的温湿度惯性，SCR电加热初始以30%的热量输出。当室内环境制热量需求变化时，根据PID控制算法，SCR可控硅电加热无级调节输出精确的加热量。

5）无级调节加湿为解决加湿器启停带来的温湿度惯性，加湿器保持预热状态。当室内环境湿度需求变化时，根据PID控制算法，SCR可控硅加湿器无级调节输出精确的加热量。

6）Fuzzy-PID除湿除湿控制采用Fuzzy-PID复合控制算法，即将模糊控制与PID控制算法相结合，在湿度偏差较大时采用模糊控制算法，即室内环境湿度远高于设定湿度时，压缩机保持当前频率运行，开启除湿电磁阀除湿；在湿度偏差较小时采用PID控制算法，通过电子膨胀阀调节蒸发温度，进而调节除湿量。

恒温控制电路的分析 第3篇

图1是一个小功率液体电热恒温控制电路, 温度传感器由热敏电阻代替, 温度调节范围根据实际需要确定。此电路主要用于对液体加热时的恒温控制。运放A1~A3工作电压为±12v。

1 电路分解

本电路是由测温电路、温度信号放大电路、恒温预置电路、继电器驱动和显示电路五部分组成。

2 单元电路的工作原理分析

(1) 测温电桥电路。测温电桥电路由R1、R2、R3、R4组成, 其中R4是热敏电阻, 作为温度传感器。当温度在设定值范围时, VA=VB, 电桥平衡, 输出信号为零, 液体处于保温状态;当液体温度低于设定的温度值时, 点A电位VA下降, 电桥失去平衡, 电桥输出信号不为零, 因此, 液体处于加热状态。

(2) 温度信号放大电路。温度信号放大电路由R5、R6、R7、R8和运放A1组成, 测温电桥的输出端A、B分别接到A1的反向输入端和同相输入端, 作为差动放大电路的输入信号。

当电桥无信号输出时, 即VA=VB, 运放A1的输入信号为0, 其输出信号u01=0, 液体的温度在设定值范围内;当电桥有信号输出时, 即VA<VB, 运放A1的输入端加入差值信号, 经过放大后, 送到恒温预置电路, 使液体处于加热状态。

(3) 恒温预置电路。恒温预置电路由R9、R10和运放A2组成, 运放A2是一个电压器, 其输入信号是温度变化信号 (u01) , 加在A2的反相输入端, A2的同相输入端是温度预置值的设定端, 调节可变电阻R10的阻值, 进行预置值的设定, 预置使用VC表示。

当u01<VC (预置值) 时, A2的输出u02为高电平;当u01>VC时, A2的输出u02为低电平。

(4) 继电器驱动电路。继电器驱动电路由运放A3、晶体管T和电阻R11、R12、R13、继电器线圈KT组成。A3也是一个电压比较器, 其输入信号是u02, 加到A3的反相输入端, 与A3的同相端基准电压VD进行比较。

当u02>VD时, 电压比较器A3输出低电平, 晶体管T处于截止状态, 继电器不工作, 液体处于保温状态;当u02<VD时, 电压比较器A3输出高电平, 晶体管T处于导通状态, 继电器线圈通电, 其常开触点KT3闭合, 加热器与交流电压220v接通, 液体处于加热状态。

(5) 显示电路。显示电路由发光二极管D1、D2和电阻R14、R15组成。当液体处于保温状态时, 晶体管T截止, 继电器KT不工作, 工作指示灯绿灯亮 (D1) , 当液体处于加热状态时, 继电器常开触点KT2闭合, 工作指示灯红灯亮 (D2) 。

3 各部分电路的预置值和比较电位值的确定

(1) 测温电桥电路。点B的电位VB=6v, 即保温状态时, 点A的电位VA=6v;加热状态时, VA低于VB的电位。

(2) 温度信号放大器。u01=5 (VA-VB) =5 (6-VA) 。

(3) 恒温预置电路。VC是温度预置值, 当液体加热时, 电压比较器A2反相端的电压要高于VC, 所以R10要可变电阻, 根据实际温度变化范围来调节R10的阻值, 保证实现液体的恒温控制。

(4) 继电器驱动电路。VD=6v, 保证u02为高电平时, 使电压比较器A3的输出为低电平。

4 整体电路的功能分析

在图1中, 当液体的温度在设定值范围时, 电桥平衡, VA=VB=6v, 运放A1的输出u01=0v, 使u01<VC, 电压比较器A2的输出u02为高电平, 使u02>VD (VD=6v) , 电压比较器A3的输出u03为低电平, 晶体管T截止, 继电器KT线圈断电, 其常开触点KT2、KT3断开, 保温指示灯D1亮, 液体处于保温状态。

当液体的温度低于设定值时, 测温电桥电路的点A电位VA下降, 即VA<VB, 其差值经过运放A1进行放大, 使u01>VC, 电压比较器A2输出u02为低电平, 使u02<VD, 电压比较器A3输出u03为高电平, 晶体管T导通, 继电器线圈KT通电, 其常开触点KT2、KT3闭合, 常闭触点KT1断开, 电热丝与220v电源接通, 液体处于加热状态, 此时加热指示灯D2亮。

参考文献

[1]杨清花.一种简易的温度控制设计与应用[J].甘肃冶金, 2007 (08) :82-83.

[2]清华大学电子学教研组编, 阎石主编.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社, 2006.

恒温控制算法 第4篇

恒温、恒湿空调工程隶属于通风空调工程, 与普通的通风空调工程有所差异。对各个温控点的温差要求不尽相同, 具有要求精确度高, 技术含量高等特点。笔者通过对实验楼恒温恒湿空调工作的监理工作, 谈几点体会, 仅供参考。须把握好设计、施工、调试及运行管理等各个实施过程的每个环节, 才可以达到预期的控制目标。

1 施工前期

1.1专业监理工程师需详细地弄清每个房间的用途和使用特点, 仔细阅读图纸, 并与业主沟通, 了解业主的建设意图。如河南省质量技术监督局国家农业工程测试技术中心项目, 设计师按照整个工程采用分段组合式空调机组及风机盘管相结合的方式。温度精度要求高的房间 (20+0.5℃) 分布于各个楼层。如业主考虑到部分精密的设备有防水要求, 不允许有风机盘管管道敷设在房间内。经与业主和各使用部门沟通后发现原设计有不周之处。温度精确要求高的房间 (20+0.5℃) 如量块室、标准电池、精测单晶室等尽可能设置在地下室, 以利于温控。对于温度精度要求不高且使用时间短的房间如光电测矩仪、声级计室、电磁兼容室等设置在顶部两层, 取消原集中空调系统改用分体式空调。设计师认为我们的建议合理而采纳。这样既节省工程造价, 也降低能源消耗, 而且可以灵活运行, 适合特殊机房的工况, 运行费用降低。

1.2配合建设单位审查设备造型与配套的合理性。尽量对各个区域的制热 (制冷) 量进行审核, 避免过大化, 经济性考虑欠缺, 造成设备选型余量较大, 设计中往往对设备运行可靠性比较重视, 所以需要在确定设备工艺技术参数后, 使设备满足符合性, 可靠性和经济性, 为业主选定设备当好参谋, 设备选定之前应进行充分调查研究。

1.3查看平面图、系统图、剖面图相互之间是否矛盾, 会发现设计各专业并未沟通, 造成局部各专业管线有碰撞现象, 结合土建、消防、给排水、弱电控制等相关专业的设计, 查看无法施工的原因。如地下室空调机房建筑原设计7米宽变更设计向内缩短3米, 而设备还按7米考虑, 这样造成管道无法按原设计施工, 维修困难, 需将设备及管道重新布置。送风道末端的电加热器未设计保温, 走廊有一处0.6m高的大梁, 设计师未曾考虑到, 如照此施工造成风道安装标高太低, 从而使今后走廊装饰吊顶过低严重影响美观。因此, 为便于图纸会审时能解决此类问题, 需在图纸会审前审查清这方面问题。

2 施工阶段

2.1严格审核施工组织设计。承担通风空调工程项目的施工企业, 应具有相应工程施工承包的资质等级及相应质量管理体系, 要重点审核其选用的规范、技术标准、图集是否符合设计要求。有些施工单位往往会把其他工程的施工组织设计照搬套用, 对此监理要严格审核。对于关键控制点, 要求施工单位编写专项施工方案。核查管理人员及特殊工种上岗证是否有效。

2.2严格检验进场工程材料设备。对施工单位报送的拟进场材料和各种组件及设备进行资料审核, 对已进场的材料进行实地检查验收。

(1) 应组织业主、施工单位、生产厂家共同验收并形成记录, 包括进场的设备如分段组合式空调机组、空调设备、水泵等。

(2) 按GB50243-2002第9.2.4条的要求进行强度和严密性检测, 进场的阀门必须有出厂合格证、规格, 材质符合设计要求, 不合格的严禁使用。

(3) 对进场的管道材料, 必须检查它的产品质量证书。进口设备、材料应提供商检证明和中文的质量合格证明文件, 管壁内外应厚薄均匀, 内外壁光滑、无毛刺、色泽均匀, 应提供规格、型号、性能检测报告以及中文的安装、使用、维修和试验要求等技术文件。

2.3督促施工单位做好管线综合布置。由于专业施工单位较多并且某些设计单位各专业之间不会签, 造成专业之间管线相互交叉和碰撞。专业监理工程师应召集相关专业施工队伍召开专项会议, 将建筑物 (尤其走廊内) 进行合理统筹安排, 尽量利用空间, 做到布局合理, 整齐美观, 不影响吊顶标高, 并加强现场协调, 防止相互之间扯皮, 以利于减少返工和索赔。

2.4专业监理工程师在现场巡视检查施工单位是否按图施工, 是否按现行的标准图集及施工验收规范施工。隐蔽工程必须经监理人员检验合格后方可隐蔽。

3 装饰工程阶段

3.1装饰设计施工过程中, 业主对装饰要求往往构思独特而且多变, 装饰公司也经常为后面追求装饰效果而随便更改通风空调原设计。破坏了原设计的合理性, 影响到通风空调的使用功能。专业监理工程师应核查装饰设计是否改变房间的用途、布局, 装饰设计图纸中的标准与通风空调施工图有关位置是否一致。如确因装饰工程需要, 需要进行通风空调局部变更, 应由原通风空调设计者出具相应的设计变更文件。

3.2对于被装饰工程所隐蔽的通风空调安装部分隐蔽前要认真及时检查, 管道系统按GB50243-2002第9.2.3条规定试验。特别要加强管道、风道保温质量检查, 防止保温层开裂, 造成冷凝水滴漏现象影响装饰质量。对于吊顶内设有阀门、调节阀等位置要求装饰单位开设检修孔。

4 调试阶段

4.1系统调试前, 首先承包单位应编制调试方案, 并经专业监理工程师审查批准。并重点检查系统调试所使用的测试仪器和仪表是否符合国家有关计量法规及检定规程的规定。

4.2设备单机试运转, 专业监理工程师负责质量控制, 各测试点送风、回风满足设计值, 并且保证各参数记录的真实性、精确性, 主要在于检查设备运行状况, 测定设备运行的参数。在此阶段应采取旁站监理的方式。调试结束后, 要督促施工单位填写相应的资料, 并且经有关各方会签。

5 交付阶段

设备综合效能调试完成后, 为给今后用户操作、维护、检修提供方便, 要求施工单位编写用户使用手册, 专业监理工程师要督促施工单位对使用方操作人员进行培训。

参考文献

[1]龚崇实, 王福祥.通风空调工程安装手册[M].北京中国建筑工业出版社, 1989.

[2]强十渤, 程协瑞.通风空调工程[M].北京中国计划出版社, 1994.

智能恒温水位热水器控制系统研究 第5篇

关键词：HT单片机,智能控制,节能环保,无线控制

1引言

现在的热水器控制系统大多存在功能单一、操作复杂、电能浪费严重等问题,而如今全球都在号召节能减排、全国鼓励“万众创新”的大环境下,我们要从我们身边的小事做起,从一点一滴的节能开始,这既可以为减少能源的消耗,也可以减少我们自己的电费支出。在热水器上加上无线智能装置,可以远距离控制热水器的工作状态,热水器的实时数据快速掌握,有利于我们的时间安排。通过我们的智能控制,使热水器的有效数据即时为我们掌握,同时也减少了电能的消耗,做到了节能环保的要求。

本系统的设计通过对现用热水器的改进,在其原有的功能基础上添加了无线控制、恒温控制、定时加热控制、水位检测控制、定时开关机功能及报警功能。这些功能可以实现我们对热水器的智能控制,方便我们的生活,简化热水器控制;同时达到节约电能目的,做到节能环保的要求。

定时开关机功能,可以避免我们晚上睡觉时热水器工作消耗的电能,减少了了这笔不必要的电费开支;无线智能控制可以通过智能终端远距离控制热水器,使得操作热水器变得更加简单快捷。

恒温控制可以使热水器加热水温到自己想要的温度,避免热水器加热过高而不小心烫伤自己,免去手动调温的麻烦;定时加热控制可以将热水器的工作时间控制在我们用水的时间段,避免在我们想用水时没有热水的尴尬局面,而在我们外出不在家的时候处于待机状态,降低热水器对电能的消耗;水位检测设定水位的最高值、适中值、最低值,此功能通过单片机分析电平的变化,实现水位检测的功能,使水位保持在适中值附近,当水位低于最低值或超过最高值时,蜂鸣器发出报警,单片机控制送水的开启或关闭。

2系统设计原理

基于WIFI智能恒温水位检测热水器控制系统。采用HOLTEK单片机为MCU,利用WIFI、恒温控制、定时加热控制、水位检测控制、定时开关机功能及报警功能,实现对热水器的智能控制。

用户通过手机或热水器温度控制板对热水器进行工作状态的设置,可以设置恒温工作温度、工作时间。热水器在设定的工作时间被唤醒,然后进行水位的检测,以保证热水器的加热水量是合适加温的状态,避免因水量过高或过低引起的火灾;水位正常后,热水器按照设定好的温度进行加温,加热到设定温度后进行语音提示。

3系统结构设计及分析

3.1硬件部分

系统采用盛群公司的HOLTEK MCU作为主控芯片进行设计。利用HOLTEK MCU单片机控制液晶显示、语音提示、温度控制、水位检测与WIFI智能控制。

DS1302:该芯片是为美国DALLAS公司推出的,具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟电路。它可以对年、月、日、周、日、时、分、秒进行计时,且具有闰年补偿等多种功能。DS1302可使用后备电源对芯片进行供电,即当主电源被意外切断时(如断电等),芯片会自动切换到后备电源供电,保证芯片继续走时。若后备电源是可充电电源,则可通过程序使芯片内的充电功能开启,对后备电源进行充电,保证了芯片的稳定运行,为用户带来方便。

AT24C02:AT24C02是CATALYST公司的数据储存芯片,具有一个2K位串行CMOS E2PROM,内部含有256个8位字节。先进的CMOS技术极大地减少了器件的功耗。让其作为WIFI模块的数据存储芯片,保护了用户数据的安全,增强系统运行的稳定行。该芯片使用寿命长,数据可保持至少100年。

其硬件总体框架图如图1所示。

3.2软件部分

开机后,首先执行用户智能设定的参数程序。在此期间,AT24C02内的用户数据不变,配有备用电池的计时芯片DS1302内的时间数据也不改变。HT单片机开始读取时间数据,再读取用户数据,然后,单片机将时间数据与用户数据进行比较,以判断当前时间是不是用户设置的加热工作时间,如果是,则驱动加热控制,否则再次读取时间及用户数据,并进行比较判断。以此循环。当到了设定加热工作时间,其会首先进行水位的检测,水位正常后会加热到设定的水温后进行语音提示。

我们可以通过WIFI智能控制加热的温度和其的工作时间,使其更好的为我们提供服务。

4结语

(1)用户可以通过WIFI智能控制热水器的工作,实现无线智能控制;(2)对热水器进行定时智能唤醒设定,可以在节约电能的同时让用户使用到自己需要的热水;(3)用户可以智能调节热水器加热的温度,使用户使用就是自己想要的温度,这也可以避免水温加热过高而引起的电能浪费;(4)液晶显示水温、水位信息;(5)语音提示功能,警报危险水位、提示加热完成。

基于单片机的温室恒温控制系统设计 第6篇

关键词：温室,恒温控制,PID控制,温度传感器,AT89C2051单片机

0 引言

我国北方冬季室内和室外的温度差较大,温室温度的精确控制非常困难。传统的室内温度控制系统存在设备实时性差、精度低、体积大及功耗高等缺点,难以适应现代化的要求[1,2,3,4,5,6,7,8]。随着传感器、微控制器和控制方法等技术的发展,各种实时控制方法和技术均有不同程度的提高,目前精度高、体积小和功耗低的控制系统已经应用在各个领域。基于上述技术发展背景,设计了温室恒温控制系统。该系统可以自动、实时地控制温室的温度,具有功耗低、成本低、控制精度高以及易用性等特点,具有良好的研究和应用前景。

1 恒温控制系统方案的总体设计

温室恒温控制系统的硬件由控制加热元件的闭环温度控制系统和温度测量系统构成。恒温控制系统方案的总体框图如图1所示。

2硬件系统的设计

2.1 单片机的选择

本系统设计选用了由ATMEL公司推出的小型微控制器,AT89C2051单片机作为核心芯片[9,10] 。采用本芯片能够降低整体控制系统的成本,而且由于MCS-51与软硬件的兼容性非常良好,具有程序得电可重复擦写的特性,因此选用AT89C2051单片机作为温控系统的核心组件,对系统的开发和测试更有利。AT89C2051共有20个引脚,见图2。

由图2可以看出,2051继承了8031最重要的8脚,P1口为准双向端口,P3.0～P3.5,P3.7共计7脚,准双向口,并保留了输入功能的P3串行通信功能(如P3.0,P3.1)。AT89C2051的引脚下拉力很强,其中的P1,P3口下拉力可以达到20mA。由于选用单片机内部的程序存储器为Flash,所以可以方便地修改其内部程序,只要配置一个与之相匹配的编程器就可以。调试人员对编入的程序进行编辑 - 编译 - 固化 - 插入电路板中做测试,如此反复循环试验。

2.2 温度检测传感器的选择

本温控系统设计中,温度测量电路数据采集元件采用了DS18B20温度传感器。DS18B20 数字温度传感器是DALLAS半导体公司推出小型化传感器,具有低功耗、高性能、抗干扰能力强及易于与微处理器配备等特点[11]。单片机可直接接受温度传感器DS18B20将温度转换成串行数字信号,实现温度测量和控制的精确度。工作温度范围为-55～+125℃,-10～+85℃时精度为±0.5℃,分辨率通过编程控制设置为0.5～0.062 5℃。图3所示为DS18B20的内部框图。其包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口。高速的容器存储中间数据存储用户设置温度的上限和下限、存储、触发和控制逻辑以及8位循环冗余校验码发生器等。

DS18B20是个基于微控制器设备的外围设备。图4是DS18B20与单片机的通信连接图。DS18B20温度传感器只有3个引脚,无需外部元件,单条数据线就可以进行通信。数字温度传感器DS18B20的直接数字输出信号不需调理电路,从而减少了信号误差,并能更好地抵御外界的干扰。DS12B80温度传感器的采样需要准确的时间基准,因此系统采用DS12887时钟芯片。

2.3 其他元件的选择

系统选择了翅片型加热管为加热装置。翅片型加热管具有散热性好、低功耗和易于安装的优点,非常适合于流动的空气加热。与其相连接的控制器选择的是固态继电器,具有非接触的优点,适合与翅片式加热管配套使用。最后,系统还需要选择人机交互的硬件部分。根据系统要求,选择矩阵式9键键盘作为输入装置,用于设置时间和更新预设温度。根据键盘和显示器需要,选择BC7281A键盘显示芯片。

3 软件系统设计

软件采用模块化设计方法,总体设计分化成各个模块,从每个模块开始,任务细化,以下为整体系统程序设计和控制器的设计。

3.1 软件的设计过程

首先,考虑地址分配问题,地址分配后考虑程序编写。从主程序开始定义需求的两个外部中断的入口地址,键盘向键盘芯片发送数据,利用第1子程序向BC7281A写入数据,书写完毕调用第2个子程序,键盘中断子程序;然后,调用第3子程序,单片机读取键盘程序,程序读入后回到主程序;接着,在主程序中设置堆栈,开外部中断,进行初始化编程,对时钟芯片DS12887初始化;DS18B20温度传感器初始化并进行复位,在对DS18B20进行复位时调用第4个程序DS18B20复位子程序;返回到主程序后,调用第5个子程序,暂存存储器的子程序,并对BC7281A初始化,初始化之后就开始工作。首先,需要时间基准,需要调用第6个子程序,读取时钟的芯片DS12887子程序;然后,返回到主程序,接下来调用的第7个子程序,LED显示屏上显示的数据的子程序;测量温度设置时间为5s间隔,每次测量温度都需要调用第8个子程序,测量温度程序子程序;显示温度时,调用第7个显示数据子程序;显示时间由第8个子程序和时钟显示子程序完成;当测量温度值和实际温度差1℃之内时,系统进行调整。

3.2 控制器

为了使温室温度保持恒定,需要执行元件在准确时刻对系统进行恒温调节,而决定执行元件在准确时刻进行工作的控制器是本设计的关键。好的控制器能够准确地实时响应,对系统执行元件进行控制。恒温室的温度会随着恒温室门的开关和通风换气时发生变化,此时需要进行恒温控制。本设计采用了PID恒温控制器。加热元件的闭环控制原理如图5所示。

PID控制方法原理简单,易于编程,具有良好的鲁棒性,是控制领域使用非常广泛的基本控制方法。在现行的过程控制中,超过90%以上的控制回路均采用了PID方法。PID控制是比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Differential)调节控制的简称。系统的误差e(t)在PID调节器的作用下,分别运用比例、积分和微分算子3个作用之和作为输出的控制信号,来控制被控对象。 PID控制方法的数学模型为[12]

undefined

式(1)中,u(t)为PID控制器的输出信号,该信号被传递到控制对象。系统误差信号被定义为e(T)= R(t)-c(t),R(T)是系统给定的输入信号,c(t)是系统的被控量。

PID控制器的传递函数的数学模型为

undefined

undefined

因此,PID控制可以给系统提供一个零极点和两个负实数零点,使系统的零极点稳态精度得以提高,通过适当地调节两个负实数零点可以提高系统的动态性能。因此,采用PID控制后系统的控制特性得到改善。 其中,PID控制器通常与控制对象串联连接,PID控制器设置在负反馈前向通道上,作为目标执行元件的调节器。

对应的PID算法采用汇编语言编程,算法e(t)值部分程序如下:

计算e(t)的值:

CLR C

MOV A,SDWDHL

MOV R 7,WDZHL

SUBB A,R7

MOV BCPCHL,A

MOV A,SDWDHH

MOV R7,WDZHH

SUBB A,R7

MO VBCPCHH,A

JC BOOLL2

CLR BLPCFH

BOOLL3:

JB BLPCFH,JSSZ3

JB SCBLPCFH,JSSZ2

JMP JSSZ1

BOOLL2:

SETB BLPCFH

CLR C

MOV A,#0FFH

SUBB A,BCPCHL

MOV BCPCHL,A

MOV A,#0FFH

SUBB A,BCPCHH

MOV BCPCHH,A

INC BCPCHL,JMP BOOLL3

4 温度控制结果及分析

将本设计的恒温响应效果与普通温控系统进行比对表明,恒温控制系统的响应时间较合理,实际温度误差小于0.3℃。由试验取得恒温控制系统的温度控制效果记录表,如表1所示。

5 总结与展望

恒温控制算法 第7篇

在航天测控系统中,测距信号经过下行信道时,由于温度、时间、工作频率和多普勒频移等因素的影响,将产生测距的相位漂移误差,从而影响测距的精度。

高频接收分系统中的下变频部分,大多放在天线的中心体中,当外界的温差变化较大时,传输线因为热胀冷缩效应而产生变化,从而使测距信号的相应误差增大,影响测距精度。为了尽量减少由于外界温差变化对测距精度的影响,把高频接收的下变频部分放在一个恒温控制机箱中,恒温控制系统工作时,即使外界温差变化很大,机箱内保持恒定的温度,减小由于外界温差变化对于下行链路信号的群时延的影响,从而提供测距精度。

1 硬件设计

1.1 硬件组成

恒温机箱是由一个保温箱和恒温控制系统组成。恒温控制系统实时采集机箱内部的工作温度,如果低于相应的温度后,则自动启动加热模块,对机箱内部升温,当机箱内部的温度到达指定温度后,则关闭加热模块,然后利用机箱的保温材料具有的保温性能,使设备工作在恒定的温度环境中。

保温箱是由设备机箱在其内部粘贴保温材料组成,从而使其能达到较好的保温效果。

恒温控制系统由单片机、温度采样、温度继电器、固态继电器和加热模块组成。

单片机采用Atmel公司的ATmegal128芯片,该芯片内部具有128K可编程FLASH,以及4K容量的EEPROM 等,从而开机时能保存上次设置的温度参数,满足系统要求。

温度传感器选择Microchip公司的数字温度传感器TC72-3.3MUA芯片,该芯片采样精度为0.25/bit,工作温度范围为-40～+85 ℃,能够完全满足系统指标要求。TC72-3.3MUA芯片与单片机通过SPI接口进行传输数据,方便易行。为了能实时检测机箱内部的温度,在机箱的4个角落均放置了相同的温度测试模块,与单片机之间通过RS422电平进行传输数据,温度测试模块原理图如图1所示。

1.2 温控工作流程

为了确保恒温控制机箱的安全,在电路设计时,采用了2级继电器控制,第1级为固态继电器控制,该继电器为+24 V控制,这就需要单片机控制系统提供一个可控的+24 V电源,当需要加热模块工作时,则接通+24 V电源,从而使固态继电器接通,接通交流电源,当需要断开加热模块时,则关闭+24 V电源,使固态继电器断开,从而断开交流电源,加热模块停止工作;为了安全起见,在该智能控制机箱中采用了第2级温度控制继电器,如果由于外界因素导致,固态继电器不能正常受控时,如果一旦恒温控制机箱内部的温度高于+55 ℃后,自动断开交流电源输入,使加电模块停止工作,确保恒温控制机箱内部设备工作正常。+24 V可控电源如图2所示,其中D9为JGC-5043M/005-50-01继电器。

该恒温控制系统使用时,通过计算机串口及时修改控制温度(低于+55 ℃),当恒温控制系统接收到修改温度指令后,会自动把设置的加热模块起始温度和关闭加热模块温度保存到EEPROM中,从而使设备重新开机后,能自动运行上次设置的温度控制参数,使高频箱的下变频模块每天都能工作在恒温环境中。整个恒温控制系统原理框图如图3所示。

2 软件设计

软件共分温度采样模块、PID算法模块和通信模块等3大模块。其中,温度采样模块对机箱内部温度进行实时采集,为PID算法模块提供温度数据;通信模块主要完成接收恒温控制系统需要设置的温度参数,并实时上报恒温控制系统的实时温度采样值,从而为用户提供高频箱所需要温度控制的主要依据;PID算法模块,根据温度采样得出的实时数据进行相应调整,从而保证机箱内部的恒温。

主程序流程如图4所示。主要完成对单片机的资源初始化,温度芯片的初始化和以及温度采样,通信模块的定义功能。

3 测试结果分析

基于以上方案,进行了相应的硬件平台的设计和调试。硬件平台调试完成后,装入一个机箱中,然后把机箱放入温箱中,当温箱处于常温下时,通过串行口读出的恒温控制系统的加热模块为关闭状态,温度采样回报后,与温箱内部温度基本一致。

通过异步串行口设置低温值为0 ℃,高温值为20 ℃。

启动温箱,首先降低温箱内部温度到-10 ℃,当温箱内部温度低于使设定的低温值0 ℃,通过异步串行口读取机箱内部的温度值,发现机箱内部温度首先降温然后慢慢开始升温,同时恒温控制系统的加热模块为启动状态,表明恒温控制系统开始启动加热模块,当读取的温度高于设定的高温值20 ℃后,机箱内部的温度值不再上升,表明恒温控制模块停止加热,使机箱内的温度保持在相对恒定温度范围内。通过以上过程,表明恒温控制系统在低于低温状态下工作正常,机箱内部温度恒定。

调整温箱的温度,直接使其温度达到25 ℃,通过异步串行口读取温度值,发现低于高温设置值,但是高于低温设置值,因此加热模块不启动,但能实时温度采样值并及时回报。

4 结束语

通过ATmegal128单片机和温度传感器芯片TC72-3.3MUA以及相应的软件配合设计的恒温控制系统,已经完成设计。该恒温控制系统能实时采集高频箱内部的工作温度,并通过异步串行口上报系统的工作温度,同时可以接收串口的命令,修改恒温控制系统的低温和高温温度值,该恒温控制系统已经在某工程中得到应用。通过与实测温度相比较,温度控制误差小于0.5 ℃,可以认为模拟准确,从而为某工程的下行链路技术指标提供了可靠的温度环境。

参考文献

[1]TC72 Digital Temperature Sensor with SPI Interface 2002Microchip Technology Inc[S],2002.

[2]傅祖云.C语言数值算法程序大全[M].北京:电子工业出版社,1990:292-324.

一种高精度恒温槽温度控制系统 第8篇

基于以上情况,该文给出了一种恒温槽温度控制系统,该系统实现了恒温槽温度高精度控制,其控温范围为-30~120℃、控制精度可保证在±5m K以内,为热物性测量提供了一定技术保障。

1 系统结构与工作原理

系统整体结构如图1所示,主要包括MCU、RS232接口、USB接口、键盘和LCD显示等部分,其中MCU选用C8051F060单片机。

利用Pt100温度计和调理电路将恒温槽内实际温度转换为C8051F060能够处理的电压信号。C8051F060将采集的温度值和设定的温度进行比较与处理,控制功率驱动电路驱动执行器,增加或降低恒温槽内温度,使得恒温槽内温度恒定在设定值。RS232接口可实现温控系统与PC机通讯,实现PC机在线处理温度信息的功能;通过USB接口可将系统参数数据存储于U盘中,可大大提高数据存储容量和历史数据采集时间。

1.1 温度测量电路

对于采用Pt100铂电阻进行温度测量的系统,导线自身电阻对测量精度具有较大的影响。采用四线制测量电路,导线虽有电阻但无电流,避免了导线自身电阻产生的误差,提高了测量精度[4]。因此,该文选用四线制测量电路,原理图如图2所示。

图2中,OP27(1)与OP27(2)组成一个恒流源,为Pt100提供1m A的恒定电流。随着恒温槽内温度的变化,Pt100的阻值相应改变。由于电流恒定,则Pt100的端电压间接反映了恒温槽内温度的变化。OP27(3)组成放大增益为10的差模放大电路,可将Pt100端电压调整为适合于C8051F060的ADC0检测信号。在实际应用中,图2中的电阻须选用千分之一的精密电阻,否则将出现恒流源电流失稳,影响系统温度测量的精度。

1.2 系统电源

如要保证温度的测量精度,首先必须有一个可靠、稳定的系统电源。系统中所用的电源主要有+12V、-12V、+3.3V以及+5V。其中,+12V和-12V为温度测量电路提供电源,必须具有很小的纹波电压。+12V电源原理图如图3所示,-12V与+12V原理图类似。图3中,LM317为1.2V~37V范围的调压器,输入与输出电压差最大40V,输出端接1m H的电感L,可减小LM317输出电压的纹波。

1.3 串口通讯与USB接口

串口通讯选用Maxim公司的MAX3232,完成C8051F060与PC机的电平转换,通讯方式为方式1。选用符合USB1.1协议规范的USB总线芯片CH375作为C8051F060与U盘存储设备的接口,实现恒温槽温度实时数据存储[5]。

2 温度控制算法

温度控制系统是变参数、大惯性、大延时和随机干扰很强的动态系统。在实际应用中,恒温槽温度控制过程具有非线性、时变不确定性,难以建立精确的数学模型[6]。应用常规的PID控制不能达到理想的控制效果,存在超调量大、稳定周期长、控制参数难于整定等问题[7],不利于实现高精度控制。基于上述情况,该文选用模糊控制与标准PID控制算法结合在一起的模糊PID复合控制算法,实现系统的温度高精度控制。从系统控制算法复杂性方面考虑,如用二维或三维模糊控制算法,则大大增加了系统控制的复杂性。通过实际多次测试表明,模糊控制采用一维控制,可完全达到所需的控制精度、响应速度等,控制原理图如图4所示。其中,t为设定温度值,e为设定温度值与实测温度值y的偏差。

当设定值与实测温度值e大于设定阈值时,采用PID控制;当设定值与实测温度值小于设定阈值时,采用模糊控制,模糊控制器的输入为温度偏差e,通过偏差e控制模糊控制器。模糊控制规则为如表1所示。

表1恒温槽模糊控制规则

3 软件设计

恒温槽温度控制系统软件采用C语言,主要包括主程序、中断程序、模糊控制程序以及PID控制程序等。主程序主要完成设定温度读取、判断温度偏差大小、模糊控制和PID控制算法选择、调用模糊控制或PID控制子程序等,主程序流程图如图5所示。其中,ε为系统稳定状态下的最小温度误差;γ为判断采用模糊控制和增量式PID控制温度阈值,实际取值为5℃。

4 试验结果与分析

本系统试验过程中,恒温槽介质为甲基硅油,温控范围为-30℃~150℃,测试点选用310K~380K,温度采集间隔为0.5s,采集时间为100s。部分测试结果如图6所示。

经过大量温度控制效果测试,依据恒温槽温度波动度的定义[8],计算出该恒温槽各点温度波动度均小于±7m K。

5 结论

针对热物性测试所用恒温槽要求,设计了一种一维模糊控制与增量式PID混合温度控制策略,其主要利用实测温度与设定温度偏差的绝对值判断采用模糊控制或增量式PID控制。该控制方法大大提高了恒温槽温度响应速度,减少了单片机实现算法的难度。以C8051F060单片机作为主控制器,设计了实际控制系统。测试结果表明,该文给出的控制方法是有效的,温度控制精度符合实际使用要求。

参考文献

[1]陈琪,洪荣华,陈光明,等.高精度制冷工质PVT实验系统研制[J].浙江大学学报:工学版,2006,40(1):139-141.

[2]赵声衡.精密恒温槽原理[M].长沙:湖南科学技术出版社,1991.

[3]吴江涛,刘志刚,黄海华,等.高精度流体PVT x性质测量实验系统的研制[J].西安交通大学学报,2003,37(1):5-9.

[4]王魁汉.温度测量实用技术[M].北京:机械工业出版社,2006.

[5]侯波,姚军军.温室环境多参数自动监测仪的设计[J].农机化研究,2010(1):143-145.

[6]杨启伟,陈以.常用温度控制法的对比[J].兵工自动化,2005,24(6):86-88.

[7]吴帆,黄兵,周宏威.基于PID参数混沌优化的摊铺机液压行驶系统[J].机械设计与研究,2012,28(3):82-84.