新型單片機水溫自適應測控系統2004年9月（1）

摘要  介紹了一種基于單片機的新型的自適應自適應水溫測控系統，通過自適應算法提高水溫測控系統在不同環境參數下的適應性；簡易而實用的溫度測量方法有效地降低了系統成本。

關鍵詞  單片機   水溫控制系統  自適應控制   熱敏電阻

0  引言

   水溫控制在工業及日常生活中應用廣泛，分類較多，不同水溫控制系統的控制方法也不盡相同，其中以PID控制法最為常見。然而，單純的PID算法無法適應不同的溫度環境，到了新環境往往無法很好勝任，甚至使系統變得不穩定，需要重新改變PID調節參數值以取得最佳性能。本文在模型參考自適應算法（MRAC）^[1]基礎上，用單片機實現了自適應控制，彌補了傳統PID控制結構在特定場合下性能下降的不足，設計了一套實用的溫度測控系統，使它在不同時間常數下均可以達到技術指標。此外還有效減少了輸出繼電器的開關次數，適用于環境參數經常變化的小型水溫控制系統。

1         硬件系統

1.1 系統工作原理

硬件系統結構框圖如圖1所示。

               圖1 硬件系統結構框圖

控制系統采用Atmel  AVR   RISC系列AT90S4433^[2]單片機。該芯片具有20個可編程I/O口、6通道10位A/D轉換部件、4k字節Flash程序存儲空間、128字節SRAM以及256字節EEPROM。

溫度信號由溫度傳感器轉變為電信號，經前置放大器濾波后反饋至AT90S4433單片機進行A/D轉換。溫度傳感器由熱敏元件和運算放大器組成，具有成本低、使用方便、靈活性大等優點。

AT90S4433單片機一方面控制鍵盤及液晶顯示電路，另一方面將反饋溫度信號進行A/D轉換并產生控制信號給輸出控制邏輯，低壓控制信號經光電隔離后，放大輸出至功率輸出電路以取得功率輸出。

報警電路的驅動信號由單片機和濾波后的溫度信號共同決定以提高可靠性。電源保護模塊提供所有模塊的過壓及斷電保護。  SPI在線編程接口便于單片機程序固化，便于產品升級。

1.2 熱敏電阻線性補償法

熱敏電阻最大特點是價廉，但由于存在非線性，實際應用中須以運算放大放大器作線性補償進行多點測量才能取得較滿意的性能。其原理如圖2所示。

                      圖2  熱敏電阻反相線性補償電路

為負溫度系數的熱敏電阻，其阻值

                 ·

式中： 是溫度為 時的阻值：T的單位是k；材料常數 。

    由運算放大器特性可得到

當 為圖2中示數時，電壓－溫度特性如圖3所示。由圖3可見，10℃～50℃間電壓變化基本為線性，線性失真度小于3％。改變 和U 可以調整曲線的線性度和值域范圍。

                         圖3  電壓－溫度特性圖

1.3 功率輸出模塊

系統被控加熱器H 的最大功率可達12kW。如圖4所示，單片機通過光電耦合器間接控制繼電器，從而控制加熱器H 和 。

                     圖4 功率輸出模塊硬件結構圖

2 軟件設計

2.1自適應控制系統原理

通常情況下，溫度控制系統可以近似為帶有純滯后環節的一階線性系統。一般水溫控制系統的時間常數遠大于滯后時間常數，因此本系統可直接視為一階線性系統，其自適應控制原理框圖如圖5所示。

                     圖5 一階模型參考自適應控制系統

圖5中 表示由鍵盤輸入的給定量，也就是目標溫度； 和D 分別是前饋可調參數和反饋可調參數； 和 分別為系統溫度環境模型和設計參考模型的傳遞函數，其微分方程分別為

                                   （1）

                                    （2）

單片機通過調整 和 來辨識對象參數T 和 以確定u(t),使系統的控制器輸出 ，以適應不同的水溫環境。程序運行過程中不斷計算 ，使之始終保持在可容許的誤差范圍之內，即可得到準確的環境參數。由圖5可知，

                                    （3）

由式（1）和（3）可得

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