武汉工程大学毕业设计(论文)说明书
一 微机恒温控制系统的控制方案拟订
本次设计主要是为解决好家庭电热水暖车自动控制系统中使用交流接触器带来的噪声污染问题和恒温控制问题。经市场调查发现证实，现在市场上出现的家庭电热水暖系统所用的大多是用十分简单的开关控制，并且没有做到恒温控制，所用的交流接触器所带来的噪声让人难以忍受，用户很不满意，对这样的噪声污染意见很大。我们以恒热（EVERHOT）公司生产的CSFL060型家庭采暖/热水一机两用型机为例，对其控制电路进行改进，来实现本次课题的设计。
针对广大客户提出的要求，我们对其进行改造设计开设本课题，来改进恒热公司生产的家庭水暖恒温自动控制系统。本课题设计主要实现的功能就是：要将系统原来简单开关控制的方法做改进，并且做到恒温控制，消除交流接触器所带来的噪声污染。
家庭采暖系统CSFL060特性：额定容积60L，额定功率10.8kW，最大采暖面积 150m2，供电电源为三相交流380V，采暖水温调节范围是10～80℃。
1 微机恒温控制系统设计目标
针对广大客户的要求，及家庭采暖系统CSFL060的一些特征，我们设计改造出一套微机恒温控制系统，于是拟订了一套想通过本次设计能解决的一些实际的问题。
1)对家庭采暖自动控制系统CSFL060改进期望目标：用固态继电器达到无触点式 控制，消除了噪声。
2)用PID算法来实现恒温控制，控制精度可达到±0.4℃。 3)系统对水温控制的恒定温度在8-80℃范围内，能做到连续可调。 4)故障提示音报警，对各检测元件故障可做出不同方式的声音报警。 5)装置通用性强，可用于多种对水的电热恒温控制。 6)PID参数连续可调，人机界面友好。
7)装置可将温度数据通过串口送到上位机，上位机软件可将接收到的数据存贮并可显示温度变化曲线。在控制效果上要能做到自动控制系统所要求的快、准、稳，并且有着广泛的市场前景。通过查阅各种相关资料，反复思考，初步确定系统总体方案框图如下图1-1所示。
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温度检测电路 A/D变换电路 单片机 光电隔离 加热 控制电路 电压前馈电路 上位机监视 键盘显示 故障报警电路
图 1-1 系统整体框图
2 微机恒温控制系统控制算法的选择
目前我们了解较多的控制算法有三种：1.直接数字控制；2.数字化PID控制；3模糊控制。对于我们这个小系统，其数学模型很难建立，用DDC算法是很难实现的，模糊控制更是需要大量的实验数据来寻找模糊控制规律，所以最好还是选用数字化PID控制。数字化PID控制对于我们来说也十分熟悉，又不用对系统建立数学模型，实现的可能性要大得多，于是我们选择用数字化PID控制作为系统的控制算法。
所谓PID调节是根据实际测量值与设定值的偏差，按比例—积分—微分的函数关 系进行运算，将运算结果输出来控制被控对象。用PID控制系统如图1-2所示。
r(t) e(t) PID 被控对象 y(t)
图1-2 控制系统图
由于温度响应的滞后，即使采用PID控制，当电网电压波动较快时，温控精度仍受影响。电压前馈控制的原理是当电网电压下降或上升时，立即进行调整，使输出功率保持不变，也就是说使输出有效电压不变。于是加入电压前馈，系统原理如图1-3 所示。
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f 电压扰动 电压前馈 r(t) e(t) PID 被控对象 y(t)
图1-3 系统原理图
应用到实际，其控制系统组成方块图为图1-4如下图所示。
电压前馈 电压扰动f r(t) e(t) 单片机PID 控制器 控制网(固态 继电器) 三相电 加热炉 y(t) DS18B20温度传感器
图1-4 系统组成方块图
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二 微机恒温控制系统数学模型的分析
1 PID算法分析
PID调节器的控制输出微分方程表示式为：
P(t)?Kp[e(t)?1Ti?t0e(t)dt?TDde(t)dt] (2-1)
式中: P(t)—PID调节器的输出信号；
e(t)—PID调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差；
Kp—PID调节器的比例系数；
Ti—PID调节器的积分时间；
TD —PID调节器的微分时间； PID调节器的传递函数为：
G(s)?kp?KpTis?KpTDS (2-2)
在PID调节器的微分方程与传递函数表达式中， Kp反映了比例调节器的作用。它决定了控制的强弱，只要有偏差就能及时地产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。比例调节器对阶跃输入的响应见图2-1(a)所示。比例调节器的特点是简单快速，但具有自平衡的控制对象有余差。为解决此问题，引入积分环节，其积分方程为Y?(1Tit)?e(t)d(t) ， 传递函数为
01TiS。
积分作用的特点是调节器的输出与偏差存在的时间有关，只要偏差存在，输出就会随时间不断增长，直到偏差消除，调节器的输出才不再变化，因此积分作用能消除余差。
积分作用的阶跃响应曲线如图2-1(b)所示。如果把比例和积分两种合起来，就构成了PI调节器，PI调节器的输出趋于稳定值KiKpe(t)。由此可见，PI调节器既克服了单纯比例调节存在余差的特点，又避免了积分调节器响应慢的缺点。其静态和动态特性均得到了改善。但PI调节器有滞后现象，使系统的响应速度变慢，超调量变大，
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并可能产生振荡。如果在调节器中加入微分作用，可减小超调使系统趋于稳定。微分环节的方程为Y?TDde(t)/dt，传递函数为TDS。微分作用的响应曲线如图2-1(d)所示。在系统偏差刚刚出现，偏差值不大时，根据偏差变化的趋势(即变化速度)，提前给出较大的调节作用，使偏差尽快消除。由于调节及时，可以大大减小系统的动态偏差及调节时间，从而使过程的动态品质得到改善。把比例和微分两种结合起来，构成了PD调节器，PD调节器的阶跃响应曲线如图e所示。当偏差刚一出现，PD调节器输出一个很大的阶跃信号，然后按指数下降，以至最后微分作用完全消失，变成一个纯比例调节。积分器能消除余差提高精度，但使系统的响应速度变慢，稳定性变坏。而微分器能增加稳定性。加快响应速度。比例器为基本环节。所以把三种作用组合起来，形成PID调节器，可实现稳定的控制。PID对阶跃信号的响应曲线如图2-1(f)所示。在阶跃信号作用下，首先是比例和微分作用，使调节作用加强，然后再进行积分，直到最后消除余差为止。因此，采用PID调节器无论从静态还是动态的角度来说，调节品质得到了改善。在单片机恒温控制系统中，采用PID调节，实现温度的恒值控制，能够满足系统的控制要求。
E(t) E(t) Y t Y t t t
图2-1(a) 比例响应曲线图 图2-1(d) 微分响应曲线图
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