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溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要:基于MSP430系統(tǒng)平臺(tái),利用PID控制算法搭建了一個(gè)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括溫度采集、PID算法功率控制、人機(jī)交互等模塊。系統(tǒng)采用數(shù)字式溫度傳感器精確測(cè)量溫度值,430單片機(jī)用來(lái)實(shí)現(xiàn)PID算法及溫度設(shè)定與顯示等;雙向可控硅光電耦合器用于調(diào)節(jié)功率。能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度值,測(cè)量溫度范圍廣、分辨率高,調(diào)節(jié)溫度迅速,控制溫度實(shí)時(shí)精準(zhǔn)、波動(dòng)小,溫度值顯示準(zhǔn)確穩(wěn)定。關(guān)鍵詞:數(shù)字溫度傳感器;PID算法;雙向可控硅;光電耦合器;人機(jī)交互 調(diào)溫設(shè)備如冰箱、冰柜、空調(diào)已廣泛地走進(jìn)大眾家庭,這些設(shè)備帶給了人們更多的舒適,人們也越來(lái)越依賴(lài)它們。為此,我們小組搭建了一個(gè)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng),模擬調(diào)溫設(shè)備在日常生活中的運(yùn)作,深入探討其工作原理及可優(yōu)化潛力。1 系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)以MSP430系統(tǒng)板為控制核心,包括溫度采集、PID算法功率控制、調(diào)溫、人機(jī)交互等模塊。其采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20作為溫度采樣元件,在通用定時(shí)器B周期中斷的控制下,低功耗單片機(jī)MSP430F449通過(guò)其通用I/O口從DS18B20讀取采樣值,再通過(guò)PID控制算法計(jì)算出控制量去控制主電路的電流方向和PWM波的輸出。電流方向決定對(duì)控溫對(duì)象進(jìn)行加熱或制冷,輸出的PWM波驅(qū)動(dòng)功率MOSFET IRF540,從而達(dá)到控制熱電模塊加熱或制冷的功率的目的,系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 MSP430F449簡(jiǎn)介 MSP430F449是TI公司推出的16位超低功耗混合信號(hào)處理器,同時(shí)集成數(shù)字和模擬電路。其具有特點(diǎn):16位CPU通過(guò)總線連接到存儲(chǔ)器和外圍模塊;直接嵌入仿真處理,具有JTAG接口;多時(shí)鐘能夠降低功耗,多總線能夠降低噪聲;16位數(shù)據(jù)寬度,數(shù)據(jù)處理更有效。它的集成調(diào)試環(huán)境Embedded Workbench提供了良好的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)。 MSP430F449的定時(shí)器A和定時(shí)器B都可以實(shí)現(xiàn)PWM:當(dāng)定時(shí)器工作在PWM波產(chǎn)生模式,就可以利用寄存器CCR0控制PWM波形的周期,用另外寄存器控制占空比,生成PWM波方便。并且片內(nèi)集成段式液晶驅(qū)動(dòng)模塊,便于顯示溫度值。3 PID控制算法原理3.1 PID控制系統(tǒng)筒介 PID控制系統(tǒng)如圖2所示,D(s)完成PID控制規(guī)律,稱(chēng)為PID控制器。PID控制器是一種線性控制器,用輸出量y(t)和給定量r(t)之間的誤差的時(shí)間函數(shù)e(t)=r(t)-y(t)的比例、積分和微分的線性組合構(gòu)成控制量u(t),稱(chēng)為比例(Proportional)、積分(Integrating)、微分(Differ-entiation)控制,簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制。

PID控制組合了比例控制、積分控制和微分控制這3種基本控制規(guī)律,通過(guò)改變調(diào)節(jié)器參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制,其基本輸入輸出關(guān)系為: 實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)受控對(duì)象的特性和控制的性能要求,靈活采用比例(P)控制器、比例+積分(PI)控制器、比例+積分+微分(PID)控制器3種不同控制組合。3.2 PID參數(shù)控制效果分析 PID控制的3基本參數(shù)為KP、KI、KD,這3項(xiàng)參數(shù)的實(shí)際控制作用為: 比例碉節(jié)參數(shù)(KP) 按比例反映系統(tǒng)的偏差。增大KP,系統(tǒng)的反應(yīng)變靈敏、速度加快、穩(wěn)態(tài)誤差減小,但振蕩次數(shù)也會(huì)加多、調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。在該反饋環(huán)中,該值主要影響速度。 積分調(diào)節(jié)參數(shù)(KI) 消除系統(tǒng)靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))誤差,提高系統(tǒng)的控制精度。積分調(diào)節(jié)會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢,超調(diào)加大。積分控制一般不單獨(dú)作用,而是與P或者PD結(jié)合作用。 微分調(diào)節(jié)參數(shù)(KD) 反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率,可以預(yù)見(jiàn)偏差的變化趨勢(shì),產(chǎn)生超前控制作用。因此,微分控制可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能,減小超調(diào)量,但對(duì)噪聲干擾有放大作用。過(guò)強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)會(huì)使系統(tǒng)劇烈震蕩,對(duì)抗干擾不利。 常規(guī)的PID控制系統(tǒng)中,減少超調(diào)和提高控制精度難以?xún)扇涿馈V饕欠e分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用,靜差不易消除,有擾動(dòng)時(shí),消除誤差速度變慢;而加強(qiáng)積分作用時(shí)又難以避免超調(diào),這也是常規(guī)PID控制中經(jīng)常遇到的難題。所以在該系統(tǒng)中,對(duì)積分參數(shù)做了分段處理,已達(dá)到理想的效果。

關(guān)鍵詞: 設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng) 自動(dòng) 溫度

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