數(shù)字溫度控制系統(tǒng)

1、目錄1控制對象與控制要求介紹41.1 設(shè)計(jì)目的41.2 受控對象模型42控制方案選擇62.1 控制算法的選擇62.2 電熱水壺的控制方式73硬件設(shè)計(jì)73.1完整系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) .73.2概述 .83.3數(shù)字控制器 .93.4溫度的測量 .103.4.1 鉑熱電阻測溫.103.4.2 集成溫度傳感器.124設(shè)計(jì)124.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)124.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)135控制算法設(shè)計(jì)過程145.1設(shè)計(jì)方法概述 .145.2開環(huán)參數(shù)的測定 .155.3閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .175.3.1算法的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證.1715.3.2算法與分段加熱.205.3.3加快調(diào)節(jié)時(shí)間的設(shè)計(jì).215.3.4算法的修正.236結(jié)論與心得26

2、6.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 .266.2 實(shí)驗(yàn)心得(電氣 0604 班翔) .276.2.1實(shí)驗(yàn)尚未解決.276.2.2實(shí)驗(yàn)心得.286.2.3關(guān)于團(tuán)隊(duì).286.2.4一個(gè)故事.錯(cuò)誤！未定義書簽。6.2.5想法.錯(cuò)誤！未定義書簽。6.3 實(shí)驗(yàn)心得(電氣 0605 班) .錯(cuò)誤！未定義書簽。7參考文獻(xiàn)298附錄308.1 硬件設(shè)計(jì) .308.1.1FPGA 的硬件設(shè)計(jì) .308.1.2生成控制器模塊的 Verilog HDL 程序.308.1.3串行通信電路.308.1.4DS18B20 溫度傳感器電路 .308.1.512864 液晶電路 .308.1.6功率控制電路.308.1.78 段數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

3、 .3028.1.8按鍵驅(qū)動(dòng)電路.308.2.308.2.1主程序.308.2.2程序 .308.3實(shí)驗(yàn)過程表.303摘要上用根據(jù)自動(dòng)控制原理，對盛裝 1.1 升水的電水壺中的水溫進(jìn)行控制。硬件處理器控制電源的輸入功率，用 18B20 集成溫度傳感器進(jìn)行溫度測量，通過 4*5 鍵盤與顯示器實(shí)現(xiàn)人機(jī)，給定控制溫度，控制程序采用算法。最終達(dá)到閉環(huán)控制、加快調(diào)節(jié)時(shí)間和減小超調(diào)量的設(shè)計(jì)目的。水溫控制，算法，F(xiàn)PGA，NIOS處理器1控制對象與控制要求介紹1.1 設(shè)計(jì)目的被控對象為 1.3kw 電熱水壺（見圖 1）中盛裝的 1.1 升水。閉環(huán)系統(tǒng)采用離散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求為：水溫可控制在 30C8

4、0C 之間某一給定值，穩(wěn)態(tài)誤差控制在 1C0.2C 之內(nèi)。當(dāng)設(shè)定溫度突變時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量盡量小。圖 1 實(shí)驗(yàn)用 1.3KW 電熱水壺1.2 受控對象模型4電熱水壺的工作原理如圖 2。電熱水壺的輸入電壓為 220V 交流電，經(jīng)二極管電橋整流給電阻絲 RQ 供能，RQ 產(chǎn)生熱量加熱水。圖 2 電熱水壺電路圖對于本系統(tǒng)，水的質(zhì)量為 m = 1.1kg，水的比熱容為c = 4200 J/kg/C。電熱水壺的功率為 1.3kw。令 Q 為電熱水壺的供熱量，Kr 為水壺傳熱系數(shù)，A 為傳熱面積，T 為用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度，Te 為室溫，則水溫加熱過程的動(dòng)態(tài)方程為：Q -K A（T-T ） mc dT

5、(1.1)1redt對 1.1 式做變換后為：RmcRs 11mcRs 1T Q T(1.2)1e由于電阻絲 RQ 本身需要吸收一定熱量，才能以穩(wěn)定的功率給水傳送能量，所以考慮實(shí)際情況，可以將被控對象看成是帶有純滯后的一階慣性系統(tǒng)：Ke sG(s) (1.3)1 Ts其中， 為水溫加熱開環(huán)系統(tǒng)的滯后時(shí)間， 為開環(huán)系統(tǒng)慣性時(shí)間，K 為恒定供熱量與最終穩(wěn)態(tài)溫度 T 的比值。52控制方案選擇2.1 控制算法的選擇常用的控制算法有算法?？刂破髟O(shè)計(jì)簡單，僅由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成，且可以在不需要精確明確系統(tǒng)模型的情況下按照一定的經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。但對于水溫控制這

6、樣的純滯后的一階慣性系統(tǒng)（見 1.3 式），通過理論分析可知不能簡單地采用普通的 控制，否則不但不能達(dá)到預(yù)期的效果，反而會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生更大的超調(diào)和震蕩。水溫控制一般采用數(shù)字控制當(dāng)中的算法。算法由 IBM 公司的1968 年提出，對于含純滯后對象的系統(tǒng)具有良好的效果。算法的設(shè)計(jì)原則是：設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器（算法）使閉環(huán)系統(tǒng)的特性為具有時(shí)間滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，且滯后時(shí)間與被控對象的滯后時(shí)間相同，使閉環(huán)控制后的傳遞函數(shù)為：e s(s) T s 1(1.4)采用數(shù)字控制，將上式經(jīng) Z 變換得：eT)z1(z) Z (1.5)T s 11 eT / T z1s故對于水溫加熱開環(huán)系統(tǒng)（如圖 3），在采用了如圖

7、4。算法之后建立的閉環(huán)系統(tǒng)圖 3 開環(huán)系統(tǒng)模型圖 4 采用算法后建立的閉環(huán)系統(tǒng)模型采用數(shù)字控制器 D(z) 去實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，可以得到：6(z)(1 eT /T )(1 eT /T1 z1)D(z) G(z)1 (z)K (1 eT /T1 )1 eT /T z1 (1 eT /T )zN 1(1.6)通過編寫程序?qū)崿F(xiàn) D(z) ，就可以得到一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，且閉環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)間T 可以在一定范圍內(nèi)設(shè)定。最終本閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了算法。2.2 電熱水壺的控制方式要構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)，就要能夠?qū)┙o水的熱量進(jìn)行控制。在硬件設(shè)計(jì)上采用在 220V 交流電輸入線加晶閘管或固態(tài)繼電器，給晶閘管或固態(tài)繼電器通以某種

8、方式的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。晶閘管或者繼電器的控制方式有移向控制、零電壓開關(guān)通斷控制和功率調(diào)節(jié)等方式。功率調(diào)節(jié)的控制方式為：通過在一個(gè)周期內(nèi)改變導(dǎo)通時(shí)間與周期時(shí)間 T 之比來實(shí)現(xiàn)改變負(fù)載功率的要求, 這樣的控制方式對電源波形不產(chǎn)生影響,沒有電網(wǎng)干擾，硬件易于搭建。最終本水溫控制系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)選用了雙向晶閘管電路，電熱水壺供給熱量的控制方式采用了功率控制。3硬件設(shè)計(jì)3.1 完整系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)圖 9 系統(tǒng)硬件框圖7一個(gè)完整的水溫控制系統(tǒng)應(yīng)包括處理、電熱水壺加熱控制電路、溫度測量反饋電路、數(shù)據(jù)輸入輸出部分。最終系統(tǒng)的硬件框圖如圖 9。用戶可通過按鍵輸入設(shè)定的目標(biāo)溫度，12864 液晶用來顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和

9、的占空比，當(dāng)前測量的溫度顯示在 8 段數(shù)碼管上系統(tǒng)還可以通過串行通信的方式向電腦發(fā)送溫控過程當(dāng)中的數(shù)據(jù)，以便于進(jìn)行分析。整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果如圖10。圖 10 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果3.2概述近年來，F(xiàn)PGA(Field Programmable Gate Array，即現(xiàn)場可編程門陣列)得到了飛速的發(fā)展。FPGA 能完成上至高性能 CPU、下至 74 系列電路等任何數(shù)字器件的功能。目前，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開始了從 MCU 逐步過渡到 SOC 的階段。SOPC(System On a Programmable Chip，即片上可編程系統(tǒng))是一種靈活高效的8SOC 解決方案。它可將處理器、器、IO 接口、各

10、種設(shè)備等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的集成到一個(gè)可編程邏輯器件上，構(gòu)建一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁剪、可擴(kuò)充、可升級，并具備Nios 處理器是 Altera 公司推出的 32 位 RISC、硬件在系統(tǒng)可編程的功能。處理器，是 SOPC 的。處理器以軟核形式實(shí)現(xiàn)，具有高度的靈活性和可配置性。結(jié)合 Altera 提供的配套開發(fā)工具 Quartus2，SOPC Builder 以及 NIOS 2 IDE，可以在幾分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完善的系統(tǒng)。本系統(tǒng)選擇了 FPGA 作為開發(fā)。利用 SOPC Builder 在 FPGA 里配置了本系統(tǒng)所需的 Nios 處理器作為CPU。3.3 數(shù)字控制器數(shù)字控制器是在

11、 FPGA里利用 VerilogHDL 硬件描述語言獨(dú)立設(shè)計(jì)的 （見圖 5）。圖 5控制器模塊數(shù)字控制器的輸入包括：18Mhz 時(shí)鐘輸入端口、低電平有效復(fù)位端口、8位數(shù)據(jù)端口；輸出包括：1 秒中斷信號(hào)輸出端口和控制信號(hào)端口?？刂破髋c CPU 工作方式框圖如圖 6。其工作原理為：每一秒內(nèi)，CPU 提供給晶閘管下一秒工作的占空比數(shù)值mand，獲取占空比數(shù)值后，控制器便會(huì)在這一秒內(nèi)根據(jù) CPU 的要求產(chǎn)生相應(yīng)的功率控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)，信號(hào)通過Control_Out 端口、電平轉(zhuǎn)換、光耦一直輸送到晶閘管的門控電，這樣就達(dá)到了控制電熱水壺輸出功率的目的?？刂破鞅举|(zhì)上受 CPU 的控制，但對電路的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)可獨(dú)立

12、于 CPU 之外，這樣減少了對 CPU 的占用時(shí)間和工作量，簡化了程序設(shè)計(jì)，發(fā)揮了 FPGA 軟件硬件可編程以及硬件可配合工作的優(yōu)勢。9圖 6 CPU 與控制器工作框圖3.4 溫度的測量3.4.1 鉑熱電阻測溫當(dāng)溫度變化時(shí)，導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化，這稱為熱電阻效應(yīng)。根據(jù)電阻與溫度的對應(yīng)關(guān)系，通過測量電阻值的變化可以檢測溫度的改變，由此可制成熱電阻溫度傳感器。常用的熱電阻材料有銅和鉑。工業(yè)用鉑熱電阻 Pt-1000 廣泛用來測量-200C850C 范圍的溫度。它具有準(zhǔn)確度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。尤其是當(dāng)溫度在 0C100C 范圍內(nèi)時(shí)，鉑熱電阻的阻值近似為線性變化。圖 7 鉑熱電阻

13、 Pt-100010初始設(shè)計(jì)方案選用了鉑熱電阻 Pt-1000（見圖 7）作為集溫度傳感器。根據(jù) Pt-1000 的分度表有：當(dāng)溫度 t 為 0.0C 時(shí)，鉑熱電阻的阻值為 1000.0 ，當(dāng)溫度為 100.0C 時(shí)，鉑熱電阻的阻值為 1385.1。且通過 Pt-1000 的電流要求小于 5mA。故針對其電阻的變化范圍和電流限制要求，設(shè)計(jì)了橋臂為 1k阻值的電橋，電橋接穩(wěn)壓7805 輸出的 5V 直流電源，電橋的電壓由模數(shù)轉(zhuǎn)換AD7705 進(jìn)行。整個(gè)溫度模塊的電路圖如圖 8。圖 8 鉑熱電阻溫度電路其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換AD7705 是 AD 公司推出的 16 位-A/D 轉(zhuǎn)換器，其增11益和數(shù)據(jù)輸出

14、更新速率均可編程設(shè)定，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。此外它還具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、校準(zhǔn)、低功耗及優(yōu)良的噪聲性能，因此非常適用于儀表測量和工業(yè)控制等領(lǐng)域。采用上述方案，無需搭建運(yùn)放，不需要正負(fù)雙電源，且能夠很好地消除噪聲和電磁干擾，結(jié)合 AD7705 的特點(diǎn)還可以通過編程實(shí)現(xiàn)多種功能，是比較理想的方案。初始測量取得了不錯(cuò)的效果，最終由于 Pt-1000 的意外損壞和短時(shí)間沒有找到替代品而不得不放棄。3.4.2 集成溫度傳感器DS18B20 是用DALLAS 公司生產(chǎn)的溫度傳感器，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便等特點(diǎn)。適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。DS18B20

15、 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。測溫范圍為55C125C，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。最終選擇了 DS18B20 來測量溫度。4設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分。第一部分是系統(tǒng)初始化部分，包括初始化溫度傳感器、液晶等各種設(shè)備，初始化各種數(shù)據(jù)和變量，中斷向量。一旦開啟中斷，程序即進(jìn)入循環(huán)等待的函數(shù)。第二部分是中斷函數(shù)的設(shè)計(jì)，包括控制器產(chǎn)生的 1 秒到時(shí)中斷和按鍵中斷函數(shù)。其中，檢測到控制器產(chǎn)生的 1 秒定時(shí)器中斷后，程序需要處理的包括當(dāng)前測量溫度值，根據(jù)算法計(jì)算下一秒的占空比和輸出數(shù)據(jù)到液晶、數(shù)碼管、

16、串行通信端口上。按鍵中斷函數(shù)用來處理用戶對于目標(biāo)溫度的設(shè)定。溫度控制的算法為程序設(shè)計(jì)的第三部分。圖 11 為采用了算法的流程圖。12圖 11流程圖4.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)要最終確定溫度控制的具體算法以及明確算法中的各個(gè)參數(shù)，必須要做多次的開環(huán)和閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，且需獲取每次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間-溫度波形圖，還需調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量，因此本實(shí)驗(yàn)獨(dú)立開發(fā)了一款溫度控制數(shù)據(jù)程序。上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)選擇了 Visual C+ 6.0 作為開發(fā)環(huán)境，最終程序界面如圖 12 所示。程序界面由顯示區(qū)和功能區(qū)組成。顯示區(qū)包括可顯示目前程序執(zhí)行的狀態(tài)、接收的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)。功能區(qū)包括讓程序執(zhí)行某些功能的控件。上位機(jī)的功能為：接收、顯示和保

17、存系統(tǒng)通過串行通信發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，設(shè)置串行通信協(xié)議和向發(fā)送數(shù)據(jù)。在為系統(tǒng)編寫程序時(shí)，為了方便對最終生成的文件進(jìn)行繪圖，因此定義了一套串行數(shù)據(jù)發(fā)送的形式。這種數(shù)據(jù)發(fā)送的形式為：T:(溫度數(shù)值)P：（占空比）C：（系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間）例如，某次發(fā)送過來的數(shù)據(jù)為：T：024.3125P：28C：000028，表示系13統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行了 00 小時(shí) 00 分鐘 28 秒，此時(shí)測量到的溫度為 24.3125C，此時(shí)輸出的占空比為 28/50。其中，占空比是以在 1 秒內(nèi) 50Hz 的工頻交流電所含的 50 個(gè)周期的正弦波，最終在晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)有效作用于電熱水壺的正弦波的周期的個(gè)數(shù)來表示的。圖 12 上位機(jī)界面

18、5控制算法設(shè)計(jì)過程5.1 設(shè)計(jì)方法概述鑒于水溫控制的特點(diǎn)，每次實(shí)驗(yàn)前都需做理論分析和仿真，在明確了每次實(shí)驗(yàn)的目的和意義后才實(shí)際進(jìn)行溫控實(shí)驗(yàn)。若實(shí)際結(jié)果與仿真結(jié)果相同14或者近似，即可驗(yàn)證理論分析的正確性；若實(shí)際結(jié)果與仿真結(jié)果存在較大偏差，則說明理論分析還有未考慮到的或理論分析還存在一定的缺陷和錯(cuò)誤。因此對于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，實(shí)驗(yàn)的意義為定義為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性和發(fā)掘數(shù)學(xué)模型未考慮到的。圖 13 即為算法設(shè)計(jì)流程圖。圖 13 算法設(shè)計(jì)流程5.2 開環(huán)參數(shù)的測定由 1.3 式可知被控對象為一階慣性滯后環(huán)節(jié)，先假設(shè)未知參數(shù) 、K 為已知數(shù)值，則在里建立被控對象的模型如圖 14 所示。圖 14 開環(huán)

19、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型15(a)供給較小熱量(b)供給較大熱量圖 15 開環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果當(dāng)給定一個(gè)恒定的供熱量 Q 時(shí)，最終水溫會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)溫度值。在建立的模型里分別給系個(gè)較小的供熱量 Ql 和一個(gè)較大的 Qh，以時(shí)間為橫坐標(biāo)、以溫度為縱坐標(biāo)。其仿真結(jié)果如圖 15-(a)和圖 15-(b)所示。通過觀察圖 15-(b)可知，當(dāng)供給熱量較大時(shí)，最終溫度的穩(wěn)定值 200C。故有以下結(jié)論：結(jié)論一通過對開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，Q 的大小不會(huì)影響加熱波形的形狀，但會(huì)影響最終穩(wěn)定狀態(tài)的溫度值。結(jié)論二不對建立的模型加入限定性條件，則模型不會(huì)考慮到水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下只能加熱到 100C 的實(shí)際情況，因此當(dāng) Q 較大時(shí)進(jìn)行仿真，

20、最終水的穩(wěn)態(tài)溫度可以超過 100C。結(jié)論三在實(shí)際加熱中，若供給的熱量 Q 較大，由于水達(dá)到 100C 會(huì)沸騰，則實(shí)際的時(shí)間-溫度波形圖相當(dāng)于只能截取到 100C 以下的波形，在達(dá)到 100C 之前近似為溫度上升近似的直線，達(dá)到 100C 后溫度波形為水平線，因此不能完整地放映出一階慣性滯后系統(tǒng)的波形，但本質(zhì)上仍然為一階慣性滯后環(huán)節(jié)。結(jié)論四要測量系統(tǒng)的開環(huán)參數(shù)，恒定的供熱量必須小到最終能夠讓水溫穩(wěn)定在水的沸點(diǎn) 100C 之下。實(shí)際以恒定 40%占空比和 2%占空比加熱波形分別如圖 16-(a)和圖 16-(b)所示。16(a)40%占空比加熱圖 16 實(shí)際開環(huán)加熱結(jié)果(b)2%占空比加熱當(dāng)以 4

21、0%占空比加熱時(shí)，供熱量較大時(shí)，溫度無法在低于 100時(shí)穩(wěn)定，故溫度上升曲線近似為一條直線；當(dāng)以 2%占空比進(jìn)行加熱時(shí)，供熱量較小，故溫度上升曲線反映出了一階慣性滯后系統(tǒng)的波形。由此證明了之前通過理論分析得到的結(jié)論的正確性。并根據(jù)圖 16-(2)的波形測量出了系統(tǒng)的開環(huán)參數(shù)的數(shù)值為： =40s，=5600s，K = 1.8。5.3 閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.3.1算法的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證在測量出開環(huán)系統(tǒng)的 、 和 K 參數(shù)之后，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求就可以確定出前向通道 D(z)（見 1.6 式）的具體算式。為了驗(yàn)證算法的正確性，初始的參數(shù) T= 600s。根據(jù)自行編寫用于計(jì)算 D(z)的 M 文件計(jì)算出來的結(jié)果為：

22、5.181329-5.180404z1D(z) 1 0.998335z-1 0.00167z41(1.7)在里建立閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖 17 所示。代入?yún)?shù)后，目標(biāo)溫度 Tset 為 60，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖 18 所示。17圖 17 閉環(huán)系統(tǒng)模型圖 18 閉環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果在中對 1.7 式的編寫通過差分方程的形式來實(shí)現(xiàn)，為 1.7 式：Q0 = 0.998335 * Q1 + 0.001665 * Q41 +5.181329 * E0 - 5.180404 * E1;(1.8)其中Q和E 分別為長度為 42 和 2 的雙精度浮點(diǎn)型數(shù)組。在每一秒的定時(shí)器中斷后，程序先一次當(dāng)前溫度，再與

23、設(shè)定的目標(biāo)溫度作為比較，設(shè)定溫度與當(dāng)前溫度的差值放入 E0，然后通過 1.8 式即可計(jì)算出下一秒內(nèi)應(yīng)該供應(yīng)給的熱量。由于熱量的控制是通過控制器來實(shí)現(xiàn)的，故計(jì)算出來的供熱量 Q0還要通過處理以轉(zhuǎn)化成實(shí)際硬件能夠執(zhí)行的數(shù)據(jù)。由于全速加熱時(shí)電熱水壺的功率為 1300w，對應(yīng)于 1s 內(nèi) 50 個(gè)周期的正弦波全部導(dǎo)通，則最終 Q0要除以 1300.0/50.0=26.0。然后將計(jì)算出來的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)傳遞給一個(gè)整形變量，并輸送到控制器，就能達(dá)到功率控制的目的。轉(zhuǎn)換過程如 1.8 式和 1.9 式。其中_f_data 為雙精度浮點(diǎn)型變量。器的數(shù)值。_data 為整形變量，是最終送入控制18_f_data =

24、 Q0 / 26.0;(1.9)(2.0)_data =_f_data;考慮到水壺最大功率為 1300kw，1s 內(nèi)最大可導(dǎo)通正弦波的周期數(shù)為 50，且系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)可控的散熱系統(tǒng)，只能讓水自然冷卻，故當(dāng)計(jì)算出的_f_data超出了硬件所能執(zhí)行的范圍時(shí)，需要在中加以最大值和最小值限定。由于浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成整形數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)舍棄小數(shù)位，因此當(dāng)_f_data 大于 0.0 小于 1.0 時(shí)，意味著水還需要加熱，但傳遞給整形數(shù)據(jù)時(shí)卻令_data等于了零，因此在這個(gè)范圍內(nèi)需要強(qiáng)制修正_data 的數(shù)值。最終加入了以下代碼以修正輸出到控制器的數(shù)值：if(_f_data 50.0 )_data = 50;Q0

25、= 1300.0; / 超過最大功率修正為最大功率if(_f_data 0.0 ) / 較小數(shù)據(jù)丟失修正if(_f_data Set_T ) / 負(fù)數(shù)和超調(diào)修正當(dāng)執(zhí)行完一次數(shù)值的計(jì)算后，數(shù)據(jù)需要進(jìn)行移動(dòng)以參與下一次的計(jì)算，最終在把_data 輸出到控制器之前，還需執(zhí)行以下移位程序：E1 = E0; / 數(shù)據(jù)延時(shí)移動(dòng)處理for( i = 0; i = 4.0 & E0 = 4.0 & ( E0 1.0 & E0 = 15.0 & ( E0 5.0 & E0 5.5 ) ) _data = 10; Q0 = 260.0; 算法在加入了過大修正后，再進(jìn)行分段加熱實(shí)驗(yàn)，溫度從 20C 加熱到 40C

26、和從 40C 加熱到 60C，其超調(diào)量都限制在了 0.2C 之內(nèi)。解決了小溫差分段加熱超調(diào)量大后，對閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行從水溫為 20加熱到目標(biāo)溫度為 80C 的溫度突變較大的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 26-(a)所示。(a) 修正前(b) 修正后圖 26 溫度突變加熱由圖 26-(a)可知，對閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行溫度突變實(shí)驗(yàn)，水溫?zé)o法按照預(yù)定的設(shè)計(jì)加熱到高溫。由結(jié)論八可知是由于此時(shí) T 參數(shù)的測量結(jié)果偏大造成的，但之前讓水溫從 20加熱到 60卻能達(dá)到預(yù)定效果。分析其原因?yàn)?，最初在建立水溫開24環(huán)系統(tǒng)模型時(shí)，并沒有考慮到散熱的大，因此散熱越快，這對系統(tǒng)產(chǎn)生了。當(dāng)水溫越高時(shí)，與環(huán)境溫度的差值越影響，但算法仍然按照預(yù)

27、定的參數(shù)在計(jì)算，加熱到后期，這個(gè)影響越來越大，造成了溫度突變較大時(shí)，特別是目標(biāo)溫度設(shè)定得太高時(shí)，出現(xiàn)了系統(tǒng)無法加熱到目標(biāo)溫度或者是需要過長時(shí)間才能加熱到目標(biāo)溫度的現(xiàn)象。所以有以下結(jié)論：結(jié)論十由于在不同溫度下加熱器的散熱強(qiáng)度不一樣，因此在測量開環(huán)參數(shù)時(shí)，若供給不同的恒定熱量 Q，讓水溫穩(wěn)定在不同的溫度下，最終測量出來的開環(huán)參數(shù)也是不同的。所以為了修正高溫散熱越快的影響，就采用了修正的方法，即當(dāng)測量溫度與設(shè)定溫度之差很大而算法計(jì)算出來的供熱量卻很小時(shí)，讓其增加到一個(gè)合適的數(shù)值以達(dá)到溫度能夠加熱到設(shè)定溫度的目標(biāo)。實(shí)際編寫 5C 和 10C 的計(jì)算過小修正程序：/ 5C 過小修正if(_f_data

28、5.0 & E0 5.5 ) )_data = 8; Q0 =/ 10C 過小修正208.0; if(_f_data 10.0 & E0 11.0 ) )= 390.0; 采用了過小修正后，實(shí)際進(jìn)行水溫為 20到 80C 的溫度突變實(shí)驗(yàn)波形如圖26-(b)所示。由圖可知，雖然在這次實(shí)驗(yàn)中溫度傳感器由于受到某種干擾某些時(shí)間段沒有處于正常工作狀態(tài)，但溫度仍然受控，當(dāng)溫度達(dá)到 70時(shí)，按照原有算法計(jì)算出來的到在達(dá)到了溫度數(shù)值過小，因此啟用了強(qiáng)制修正算法，所以可以看，曲線明顯有個(gè)折線變化，直至最終達(dá)到目標(biāo)溫度 80C，其超調(diào)量也控制在了 0.2C 之內(nèi)。另外，當(dāng)用戶設(shè)定了從室溫 20C 加熱到 80C

29、 的溫度突變要求時(shí)，還可以采用分段升溫的辦法以解決不能升到高溫的目的，具體為：先讓水溫從 20C加熱到 40C，再從 40加熱到 60，最后從 60加熱到 80。這樣的分段升溫的算法能夠讓算法中的 Q 進(jìn)行一步一步的累積，因此最終能夠升到高溫。如圖 27 即為分段升溫的升溫曲線。25圖 27算法分段升溫下面提對于溫度突變問題提出另一種解決方案。在測量開環(huán)參數(shù)時(shí)，在穩(wěn)態(tài)溫度不同的情況下分別測量參數(shù)。例如供給不同的恒定熱量讓水溫最終能夠穩(wěn)定在 40C 時(shí)測量一次開環(huán)參數(shù)，穩(wěn)定在 60時(shí)測量一次開環(huán)參數(shù)，穩(wěn)定在 80時(shí)測量一次開環(huán)參數(shù)，由結(jié)論十可知三次測量的結(jié)果是不一樣的。針對三次測量的結(jié)果在 T相

30、同的情況下可計(jì)算出三個(gè)算法算式 D40、D60、D80，這樣溫度不一樣時(shí)散熱情況的不同就可以反映在這三個(gè)算式里。在 20C 至 40C 的加熱使用算式 D40,40C 至 60C 的加熱使用算式 D60，60C 至 80C 的加熱使用算式D80。即在哪個(gè)溫度段就使用哪個(gè)階段的算式以達(dá)到修正散熱造成的影響的目的。但由于本系統(tǒng)無法進(jìn)行分段過細(xì)的不同穩(wěn)態(tài)溫度下開環(huán)參數(shù)的測量，因此上述方法也暫時(shí)無法通過實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，僅以作為一種解決問題的方法提出6結(jié)論與心得6.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)論本實(shí)驗(yàn)過程，建立了開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真和理論分析，并結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，遵循設(shè)計(jì)流程，完成了算法

31、參數(shù)的選擇與細(xì)節(jié)的修正，并編寫了相關(guān)程序，實(shí)際達(dá)到了水溫在 30C80C26之間可設(shè)，穩(wěn)態(tài)誤差控制在 1C0.2C 之內(nèi)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量盡可能小的設(shè)計(jì)要求。6.2 實(shí)驗(yàn)心得(電氣 0604 班翔)6.2.1 實(shí)驗(yàn)尚未解決我通過實(shí)驗(yàn)過程，推出了結(jié)論七，這個(gè)結(jié)論是通過實(shí)驗(yàn) 08 和實(shí)驗(yàn) 09 的比較得出來的，通過實(shí)驗(yàn) 13、實(shí)驗(yàn) 15、實(shí)驗(yàn) 16、實(shí)驗(yàn) 17 的比較也可以推出這個(gè)結(jié)論。因此很迷惑，按照算法的理論，T越小其調(diào)節(jié)時(shí)間應(yīng)該越快，但為什么實(shí)際會(huì)出現(xiàn)與理論不符合的情況呢？同學(xué)認(rèn)為是由于此時(shí) T取值已經(jīng)超出了硬件可執(zhí)行的范圍所致。但硬件可執(zhí)行的范圍是多少都還沒有具體確定下來，所以這只能

32、算作是假設(shè)，暫時(shí)無法驗(yàn)證。所以這個(gè)問題的原因是為什么需要老師。然后就是具體計(jì)算硬件可執(zhí)行的 T的范圍，怎樣計(jì)算和對于本系統(tǒng)計(jì)算出來的結(jié)果是多少，采用超出這個(gè)范圍的 T去設(shè)計(jì)算出現(xiàn)什么現(xiàn)象，這是本實(shí)驗(yàn)沒有的。對于我最后為了讓系統(tǒng)能夠加熱到高溫方法（在“6 結(jié)論與心得”上面的那個(gè)結(jié)論），因?yàn)槭呛髞硐氲降姆椒?，沒有做過實(shí)驗(yàn)，不知道可不可取，也要老師。然后還想問老師的是在電力系統(tǒng)里、或者本專業(yè)涉及到的領(lǐng)域里或者實(shí)際工程應(yīng)用的領(lǐng)域里，哪些方面是采用了算法的，實(shí)際應(yīng)用這個(gè)東西，為了達(dá)到效果，采用了什么樣的的方法去解決調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、干擾等問題（這個(gè)問題問得比較還有之前出現(xiàn)比較大了，感覺可以搞個(gè)文獻(xiàn)綜述，

33、交給學(xué)弟完成吧）。，就是關(guān)于 Tg 的。最開始在 2%占空比情況下 Tg 測量出來的是 5600 秒，后來分析過的，由于 2%情況下可能是 11.5 個(gè)周期的正弦波在工作，所以實(shí)際 Tg 的范圍是 37005600 秒（這還沒有考慮到散熱的），然后我針對高溫上不去的情況特意將 Tg 修正得較小，為 4000 秒，最后雖然達(dá)到了很好的效果。但是我還是有疑問。實(shí)驗(yàn) 08 中 Tg = 5600 秒、T= 120 秒，在 Tg 參數(shù)測量過大、未啟用過小修正的情況下從 20C 加熱到 60C 用了 15 分 12 秒；而最后 Tg = 4000 秒、T= 75從 20C 加熱到 60C 用了8分 54

34、 秒。但是從 5600 修正到 4000，這個(gè)修正范圍實(shí)在是太大了！而且可以修正到 400027秒，那我為什么不能再修正得更小些，甚至小于最初理論計(jì)算的最小值 3700 秒，秒，這樣可能會(huì)使調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)更快。而且由于散熱的非線性影響，那么在測量開環(huán)參數(shù)時(shí)，從 20C80C 之間要選擇某個(gè)溫度作為測量開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度，這到底應(yīng)該怎么選擇？而且加熱器的保溫效果還是很好的，對于保溫很不好的系統(tǒng)這該怎么辦。所以我覺得，雖然根據(jù)算法的理論要精確測量開環(huán)參數(shù)，還是不敏感的，考慮到結(jié)論八，但是實(shí)際上算法對于 Tg 這單一的影響因此，對于保溫效果好的系統(tǒng)，可以采用線性的算法的設(shè)計(jì)，算法設(shè)計(jì)的本質(zhì)應(yīng)該是要解決好

35、 Tg 和 T這兩個(gè)之間的配合問題，再加入過大過小修正，即使沒有準(zhǔn)確地測量 Tg，仍然可以達(dá)到很好的閉環(huán)控制效果。而針對散熱效果不好的系統(tǒng)，可以采用我最后分段的算法（如果是正確的方法），這樣可以考慮到不同溫度階段情況下散熱的影響。以上的置的。不知道老師能否同意這些的觀點(diǎn)？針對的是我這類加熱裝以上就是一些實(shí)驗(yàn)后的疑問，希望老師能針對整個(gè)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)結(jié)論的推導(dǎo)過程提出意見和建議，由于科研能力有限，如果實(shí)驗(yàn)和推導(dǎo)有錯(cuò)誤的地方，請老師指正。！6.2.2實(shí)驗(yàn)心得我當(dāng)時(shí)制定溫控設(shè)計(jì)要求時(shí)，直接找了某次電子設(shè)計(jì)競賽關(guān)于溫度控制的一個(gè)題目，以為寫個(gè)算法達(dá)到設(shè)計(jì)的指標(biāo)問題就可以解決了，哪知道做了實(shí)驗(yàn)后自己會(huì)有這么

36、多的收獲。整個(gè)實(shí)驗(yàn)，硬件搭建用了 7 天，實(shí)驗(yàn)做了 4 天，整理用了 6 天，而且基本上都是在滿負(fù)荷工作的情況下做出來的。最后能有這樣的雖然只是很小的成果，心里是很相當(dāng)高興的。整個(gè)實(shí)驗(yàn)，最痛苦的莫過于由于自己硬件上和上的兩個(gè)小錯(cuò)誤而導(dǎo)致溫度傳感器的驅(qū)動(dòng)寫不出來的階段了，整整兩天，那真是對自己耐心和意志的極大考驗(yàn)。直到最后在極大的痛苦中靜下心來連續(xù)熬夜 6 個(gè)小時(shí)，從硬件到一步地檢查，才終于解決了問題。所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)給我?guī)淼囊庵竞鸵懔ι系腻憻捀菍氋F。一步6.2.3關(guān)于團(tuán)隊(duì)我在建立團(tuán)隊(duì)時(shí)，考慮到實(shí)踐能力較強(qiáng)，因此我希望找一個(gè)人來做理論分析的部分。我羅列了一些我覺得適合做理論分析的人的28，最后找

37、到了同學(xué)作為隊(duì)友，而之前我和她并沒有過多的交流。我認(rèn)為，建立團(tuán)隊(duì)尋找組員的原則是：要充分考慮到團(tuán)隊(duì)內(nèi)到底需要的是什么樣的人，一個(gè)好的團(tuán)隊(duì)，應(yīng)該是每個(gè)組員都能在這個(gè)團(tuán)隊(duì)中找到自己所扮演的角色。而且，對于要組隊(duì)的人來說，就要臉皮厚些，主動(dòng)行動(dòng)，先下手為強(qiáng)，這樣才越可能找到所需的。不要怕被，一個(gè)好的團(tuán)隊(duì)不是等出來的。另外，建立了團(tuán)隊(duì)，還可以增強(qiáng)組員的責(zé)任感。我當(dāng)時(shí)在寫驅(qū)動(dòng)寫不出來時(shí)，因?yàn)榈诙炀图s好了隊(duì)友來做實(shí)驗(yàn)，搞不出來就會(huì)影響整個(gè)團(tuán)隊(duì)的進(jìn)度。所以我就下定決心，當(dāng)晚無論如何也要把這個(gè)東西給弄出來。在團(tuán)隊(duì)合作中，我也發(fā)現(xiàn)，同學(xué)剛開始還是不太出表達(dá)自己觀點(diǎn)的，直到最后能夠直接地說出自己的想法和觀點(diǎn);從

38、剛開始還不明確自己要做什么直到最后能夠主動(dòng)提出自己應(yīng)該去做什么。這也說明，團(tuán)隊(duì)合作有一個(gè)磨合期。團(tuán)隊(duì)的效率是可以在良好的合作中不斷的。這就是團(tuán)隊(duì)的力量。7參考文獻(xiàn)123年. 45席愛民.計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng).電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試.高等教育.2004 年.華技大學(xué).2006 年.技大學(xué).Verilog HDL 與數(shù)字 ASIC 設(shè)計(jì)基礎(chǔ).華.2008.Nios 明日科技.Visual構(gòu)架.西安.西安電子科技大學(xué).2007 年.2007 年.C+程序開發(fā)范例寶典.人民郵電298附錄8.1 硬件設(shè)計(jì)8.1.1FPGA 的硬件設(shè)計(jì)（略）8.1.2生成控制器模塊的 VerilogHDL 程序（略）8.1.

39、3串行通信電路（略）8.1.4DS18B20 溫度傳感器電路（略）8.1.512864 液晶電路（略）8.1.6功率控制電路（略）8.1.78 段數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路（略）8.1.8按鍵驅(qū)動(dòng)電路（略）8.28.2.1主程序（略）8.2.2程序（略）8.3 實(shí)驗(yàn)過程表實(shí)驗(yàn)開始時(shí)間實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨度系統(tǒng)類型g(秒)d(秒)初始溫度目標(biāo)溫度算法實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c結(jié)論實(shí)驗(yàn) 0127 日10:37:1813 分 21秒開環(huán)無無室溫?zé)o占空比為 40%恒定加熱希望測量開環(huán)參數(shù)，結(jié)果波形為直線。分析原因，得到了如何測量開環(huán)參數(shù)的相關(guān)結(jié)論實(shí)驗(yàn) 0227 日10:51:1424 分 00秒開環(huán)無無90C無自然冷卻觀察系統(tǒng)高溫散熱情況實(shí)驗(yàn) 0327 日2 小時(shí)開環(huán) 30無無室溫?zé)o3111:25:4157 分 11秒占空比為 2%