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1、水温控制系统摘要：本水温控制系统采用PT100高精度热电阻温度传感器，经调理电路转化为电压信号送LPC2378（ARM7）处理器进行处理，温度的测量精度可以达到0.1。控制系统为仿人智能PID算法，实现了温度调节的快速性和稳定性，温控超调量小，稳态调节时间短。控制输出采用脉冲移相触发可控硅来调节加热管的功率，采用固态继电器控制水泵及半导体制冷片的液冷系统实现快速降温。可以实现在10-70的范围内对水温的动态调节。关键字：PT100，PID控制，可控硅设计题目及要求：（1）可键盘设定控制温度值，并能用液晶显示，显示最小区分度为0.1（2）可以测量并显示水的实际温度。温度测量误差在0.5内；（3）
2、水温控制系统应具有全量程（1070）内的升温、降温功能（降温可用半导体制冷片、升温用800W以内的电加热器）；（4）在全量程内任意设定一个温度值（例如起始温度+15内），控制系统可以实现该给定温度的恒值自动控制。控制的最大动态误差4，静态误差1，系统达到稳态的时间15min（最少两个波动周期）。（5）当设定温度突变（温度变化+20）时，控制的最大动态误差2，系统达到稳态的时间8min（最少两个波动周期）； （6）温度控制的静态误差0.2（在最小稳态时间内）；（7）在设定温度发生突变（温度变化20）时，用液晶屏显示水温随时间变化的实时曲线（最少显示两个波动周期）；一、系统方案：1方案论证与比较：
3、1)测量部分：方案1：采用AD590集成电流输出型两端温度传感器，在被测温度一定时，相当于一个恒流源。具有良好的测量精度和线性度。但AD590的线性电流输出为1uA/K,很容易受环境干扰及运放温漂的影响。使温度的测量精度降低。方案2： 采用DS18B20即总线的温度测量器件，具有体积小，线路简单的特点。但测量精度低，不易满足题目中的扩展要求。方案3： 采用PT100热电阻。 铂电阻是用很细的铂丝(0.030.07mm)绕在云母支架上制成，是国际公认的高精度测温标准传感器。因为铂电阻在氧化性介质中，甚至高温下其物理、化学性质都非常稳定，因此它具有精度高、稳定性好、性能可靠的特点。因此铂电阻在中温
4、(-200650)范围内得到广泛应用。选用方案3，PT100的灵敏度很高，精度高、稳定性好、性能可靠，电阻变化率为0.39/，结合桥式测温电路，及AD采样中的软件滤波，实现了高精度，高灵敏度的测温。2）控制部分：方案1：采用DC-AC的交流继电器控制加热管的工作，加热管接通几个周期再断开几个周期来调节加在负载上的功率大小，即交流调功的方法。降温采用DC-DC直流继电器控制贴于器皿底部的半导体制冷片的工作，实现降温。方案2： 采用双向可控硅构成的交流调压电路，在电网电压的每个周期都对加给负载的电压进行控制，实现电压的平稳调节，从而实现升温平稳。降温采用液冷的方式，用DC-AC固态继电器控制水泵循
5、环水，制冷片为循环水降温。 选用方案2，处理器捕获交流电的上升及下降沿，控制移相触发脉冲，对负载的有效功率进行高精度的控制，有利于升温的平稳行，动态误差和静态误差水平都有显著的提高。降温控制时由液体的流动带走水的温度，同时采用半导体制冷片对制冷管内的水降温，使降温的效率加大，故选用方案2进行升降温的控制。2.总体方案： 总体方案的方框图如下：二、单元电路：1.测温调理电路：2.AD采样：采用桥式电路后，经过差分放大抑制共模分量，为了减小信号放大的误差，采用两级放大将信号放大60倍，电桥能够保障PT100在0度时电路的输出时0v。PT100电阻随温度变化的关系为：;式中，A=0.00390802
6、；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735。可见Pt100 在常温0100摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：=100（1+At），当温度变化1 摄氏度，Pt100 阻值近似变化0.39 欧。理论上，运放输出的电压为输入压差信号放大倍数，但实际在电路工作时测量输出电压与压差信号的比值较理论值稍小，实际输出信号为，K为运算放大器的放大倍数。采样电路的输出为0-5v的模拟量，为了输入到控制器中，需要对其进行AD转换，电路采用ADS7816，12位高速串口AD，转换速率为200，最小分别率为1.2mv，将转换后的数据送入ARM7中。在ARM7中计算，
7、进行电压和对应的温度的转换。3.脉冲变压器触发可控硅电路：为了能够精确控制加热管的加热功率，本系统采用可控硅控制加在加热管两端的触发角，从而精确控制加热管的加热功率。用脉冲变压器搭可控硅的驱动电路同时实现控制端和输出端之间的隔离，通过控制移相触发脉冲的触发角控制加热管的有效功率。 电压的有效值为：功率为：=4.电网电压调理为了能够精确控制加热管的输出功率，需要对工频电压进行采用并且变换成方波，送入ARM7进行捕获。首先通过变压器将220v的交流电压变换成有效值为3v的交流电。采用LM339做过零比较经OP37对输出方波的幅值进行调节，把3v的正弦信号变换成方波信号，交由ARM7捕获口，将捕获时
8、刻作为标准来计算和控制可控硅的触发角，进而控制加热管的加热功率。三、控制算法： 1算法原理：实验表明，采用传统的PID算法存在升温时超调量大，稳态调节时间太长的问题。在此采用仿人智能PID算法。仿人智能控制的思想就是模拟人的控制行为功能，最大限度利用系统动态过程所提供的特征信息，及时调整控制器结构或参数，使控制更有效。仿人智能控制用于PID控制器的调整是根据系统的输出偏差e和偏差变化e组成的特征模式，按照比例、微分、积分三种控制作用的特点调整三者的权重或者控制器的结构将系统响应分为动态响应和稳态响应，并按模态的不同分为四个阶段。(1) 响应初期：系统响应的启动阶段，属于动态，误差大这时控制上主
9、要考虑快速性，对系统要采用加速储能控制。所以应加大P作用，而D作用起抑制作用，应该被忽略掉，而这一段偏差过大，I作用会造成积分累计，最终可能引起系统出现较大超调，所以应将积分分离，则控制算法为：。（2）响应中期：系统的误差变小，但由于响应初期能量的积聚，表现出较大的惯性，这时应在保证较快的响应速度的同时，尽可能地为消除稳态误差做准备。采取的措施应是即要保持P作用，引入I作用，其控制方法是：（3）响应中后期：系统接近稳态，误差较小, 系统的主要任务是考虑稳态激励和稳态无差的问题，并抑制超调。这时系统处于保持观察状态，应取消系统的加速控制方式，甚至可以采用反向控制方式，系统的稳态误差可由积分来消除
10、。即应减小P作用，保持I作用，引入D作用，控制算法是：（e0为初始误差）(4）响应末期：系统响应已接近稳态，误差已变得很小，此时系统的快速性已不重要，主要考虑系统的稳定性和稳态准确无差的问题，为了避免控制动作过于频繁，消除由于频繁动作引起振荡，可以仅保持进入死区时的控制量，不再作PID控制，控制算法为:或。2.控制误差：PT100热电阻的灵敏度很高，电阻变化率为0.39/，经过调理电路后，对0-80，电压值为0-4.43，测温的灵敏度为58.3。再经过12位模数转换器ADS7816传送给ARM7处理器，在软件处理中对采样到的数据进行软件滤波，并对测温的线性误差进行了补偿，最终的测量温度的分辨率
11、为,完全满足要求。对加热升温加热管的控制采用脉冲触发器驱动的双向可控硅调压电路控制，通过控制输出脉冲的触发角，可以得到功率的变化对应触发角的关系式：，由脉冲变压器的触发脉冲时长要求，控制的角的分辨率可以达到1%，加在负载两端的功率可以从1%-100%即6w-600w连续调节。实现了升温的平稳控制。3.温度的控制速度：由高精度的PT100热敏电阻的热响应时间定义为温度出现阶跃变化时，PT100铂电阻输出变化至量程的50%所需时间，所采用的PT100的响应时间0.5s，采样ADS7816的转换速度为200kHz，软件处理对温度变化0.01，调节的控制时间20ms.总体的温度控制速度完全满足要求。四
12、、软件控制程序流程图：五、测试方案及测试结果：采用精度为0.1，量程为0-100的高精度温度计及秒表进行测量。测试结果：1：在10C70C的全范围内，通过键盘设定可信度为0.1C的温度值，使水温调节系统在设定值处稳定。LCD显示值与精度为0.1C的水银温度计比对，偏差控制在0.3。达到并优于题目基本要求的（1）、（2）、（3）条指标。2：以室温为起始温度，设定系统稳态温度为起始值加+15C，记录显示器及温度计显示的温度值，系统调节的最大动态误差为2C，静态误差0.4C。，两个波动周期后系统进入稳态时，所花费时间为10min，各项指标优于题目基本要求的（4）条。3：使系统预先进入稳态，然后将设定
13、温度调高20C，系统的最大动态误差为2C，达到稳态时所花时间为7min。4：任意设定一温度值，使调温系统稳定其上，静态误差为0.2C，5：更具系统提供的操作界面可以设定温度的显示精度（最小0.1C），显示范围，和显示模式（历史记录和实时波形）。可以任意显示温度变化情况。测试结果分析:1.在稳态时测温的偏差较小，动态时二者的偏差较稳态时稍大，这应是由于传感器同温度计对温度变化的响应速度不一致造成的。 2.采用加热和制冷同时控制，实现了加热的快速性，同时减小了调节时间。附录：1.参考文献：1 大学生电子设计竞赛组委会.第三届全国电子设计竞赛获奖作品选编.北京：北京理工大学出版社2 马建伟，李银伢.PID控制设计理论与方法.科学出版社，20083 大学生电子实验室 WWW.CEET.HBNU.EDU.CN/BBS/4 电子工程世界 WWW.EEWORLD.COM5 欧阳磊.基于自整定PID控制器的温度控制系统研究.20096 李科.温控系统的智能PID控制算法研究.20062总电路图
