电子综合设计范例6-温度控制系统

一、设计任务与要求
1、设计任务
设计制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。
2、要求
⑴ 基本要求
① 温度设定范围为40～90℃，最小区分度为1℃，标定温差≤1℃。
② 环境温度降低时(例如用电风扇降温)温度控制的静态误差≤1℃。
③ 用十进制数码显示水的实际温度。
⑵ 发挥部分
① 采用适当的控制方法，当设定温度突变(由40℃提高到60℃)时，减小系统的调节时间和超调量。
② 温度控制的静态误差≤0.2℃。
③ 在设定温度发生突变(由40℃提高到60℃)时，自动打印水温随时间变化的曲线。
3、说明
⑴ 加热器用一千瓦电炉。
⑵ 如果采用单片机控制，允许使用已有的单片机最小系统电路板。
⑶ 数码显示部分可以使用数码显示模块。
⑷ 测量水温时只要求在容器内任意设置一个测量点。
⑸ 在设计报告前附一篇400字以内的报告摘要。
二、理论分析及控制算法确定
该系统为一温度控制系统，由于无法确切确定电炉的物理模型，我们采用作t-T(时间-温度)曲线的方法，通过数值分析用三阶多项式拟合t-T曲线。由于采用计算机递归计算，阶数的多少不影响计算的复杂性，所以用三阶多项式拟合。设t(m)=a3m3+a2m2+a1m+a0式中t为时间，m为温度，a3、a2、a1、a0可以通过t-T曲线求出。由于多项式不能完全符合t-T曲线，存在着误差，假设误差为e，m是t-T曲线中的温度，对该误差采用回归递推AR模型进行运算。该模型形式如下：
e(m)=p1e(m-1)+p2e(m-2)+De(m-3)
其中De(m)为白噪声。对此式进行最小二乘法估计，求出参数p1、p2。为简化起见，忽略De(m)得通过矩阵运算可以求出p1、p2的值，得出整个系统的数学模型为：t(m)+e(m)。在温度控制程序中通过递推即可达到控制目的。实际系统中，温控变量与环境温度有关，所以对不同的设定值，a3、a2、a1、a0可以适当调整，经过程序验证，该方法获得比较理想的效果。
三、方案的比较和实现
1、硬件系统设计
由前面的理论分析可见，本系统是一个典型的闭环控制系统。通过控制算法，对被控制对象中的加热元件电炉丝的平均功率进行控制，达到对水温控制的目的。系统中采用一片Intel8031单片处理器作为主控制器，前向通道为测温部分，后向通道为控制部分。通过按键和数码显示进行人机交互，通过RS232串行通信接口同PC联机进行温度图形化显示打印。
⑴ 测温部分 用于采集被控对象的温度参数。测温部分由温度电压转换，小信号放大及A/D转换三部分组成。
实际情况下，一般IC温度传感器的精度只有0.7℃～1℃，不符合本题目的静态误差0.2℃的要求。而电阻传感器的精度可以达到0.1℃，符合本题目要求。温度传感器是整个控制系统获取被控对象特征的重要部件，这里采用Cul00铜热阻作为温度传感器，其特征参数实测如图1所示。由特性曲线可见，这种热阻探头在系统测量的温度范围内线性特性良好，适用于温度采样使用。