武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书
图12降温控制电路图
4.3 加热控制电路设计
在读取到从温度传感模块采集到的温度数值后，与事先设定好的温度值进行比较，若当前检测得的温度比设定的温度低，则需要对培养液进行加热处理。本系统利用高阻抗的电阻丝来对培养液加热。如下图13所示，在检测到温度比设定的温度低时，三极管基极高电平，从而NPN管道通，驱动继电器启动，从而为高阻抗加热电阻丝通电加热生物培养液。利用改进的PID算法来计算PWM脉宽得出控制输出。从而达到根据检测到的温度而自动调节继电器导通时间。
图13加热控制电路图
5系统总电路图
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图14 系统总电路图
6采用改进PID控制算法
采用典型的反馈式温度控制系统，组成部分见下图15。其中数字控制器的功能由单片机实现。
图15控制系统框图
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已知培养皿的传递函数为Gc(s)?Ke??s/(?s?1), 设??LT，其中τ1为电
1阻加热的时间常数，?为电阻加热的纯滞后时间，?T为采样周期。 A/D转换器可划归为零阶保持器内，所以广义对象的传递函数为
G1(s)?[Ke??s/(?1s?1)?[(1?e?Ts)/s]（4-1）
广义对象的Z传递函数为
G1(z)?Z{[Ke??s/?1s?1)]?[(1?e?Ts)/s]}?Kz?L?1(1?e?T?1)/1?eT/?1z?1)（4-2）
所以系统的闭环Z传递函数为：
?(z)?Z[(1?e?Ts)/s?e??s/(?s?1)?z?L?1(1?e?T/?)/(1?e?T/?) (4-3)
系统的数字控制器为：
U(z)/E(z)?D(z)??(z)/G1(z) 写成差分方程即为：
=(1?e?T/?1z?1)(1?e?T/?)/K(1?e?T/e1)[1?e?T/?z?1]?(1?e?T/?)z?1?L （4-4）
u(k)?e?T/?u(k?1)?(1?e?T/?)u(k?1?L)令 a0?(1?e?T/?)/K(1?e?T/?1)
?(1?e?T/?)e(k)/K(1?e?T/?1)?(1?e?T/?)e?T/?1e(k?1)/K(1?e?T/?1) （4-5）
a1?(1?e?T/?)e?T/?1/K(1?e?T/?1) b1?e?T/?,
b2?1?e?T/?, 则有
u(k)?a0e(k)?a1e(k?1)?b1u(k?1)?b2u(k?1?L) （4-6） 式中e(k) ——第k次采样时的偏差；
e(k?1)——第k?1次采样时的偏差； u(k?1)——第k?1次采样时的偏差；
本生物培养液温控系统采用的数字PID算法由软件实现，增量PID控制算法的优点是编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，运算快。但是对于温度这种响应缓慢、滞后性大的过程，不能用标准的PID算法进行控制。当扰动较大或者给定的温度值大幅度变化时，由于产生较大的偏差，加上温控本身的惯性及滞后，在积分作用下，系统往往产生较大的超调和长时间的振荡。因此，为克服这种不良的影响，采用积分分离法对增量PID算法进行改进。当偏差e(k)绝对值较大时，暂时取消积分作用；当偏差e(k)绝对值小于某一设定值M时，才将积分作用投入。
(1)当| e(k)| 13 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 输出值； ?i?0u(k)?kpe(k)?ki?e(i)?kd[e(k)?e(k?1)] 其中kp为比例增益；ki为积分系数；kd为微分系数。则增量式PID控制算法为： ?u(k)?kp[e(k)?e(k?1)?kie(k) ?kd[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)](2)当| e(k)|≥M时，用PD控制。由于偏差大，说明系统温度远离设定值，应快速降温，采用PD控制，可以提高系统的动态响应速度，避免产生过大的超调，减小动态误差。 14 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 心得体会 通过本次温度监控系统的设计,我大有收获，在制作过程中，一定要注意的每个工作步骤的检查，确保制作成功。设计时可以采取先分后总的方式来设计总电路图。也就是说先把系统划分为几个独立的模块或者结构，然后再根据各个模块之间的联系性，把它们通过一定的关系综合起来，就得出了一个完整的系统。特别是在设计大型系统的时候就显得特别的重要，有几个或者几十个设计者来合作，为了节省时间，必须同时开始，这就得划分模块分工合作，最终再合起来。“先分后总”这是一种设计方式。另外在本次设计的过程中遇到了使得我重新复习了过去的知识，加深了对知识的了解。过去有些不了解的知识点经过现在的复习，有了更好的理解。总的来说，本次课设让我对单片机程序、单片机应用、传感器、放大器等很多知识有更深一步的认识，收获甚大。 15