水温控制系统设计实验
1、任务：设计并制作一个水温自动控制系统。控制对象为1L净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设点，并能在环境温度降低时，实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。2、要求：2.1、基本要求⑴温度设定范围为40--90℃，最小区分度为1℃，标定温度小于等于1℃；⑵环境温度降低时（如用电风扇降温）温度控制的静态误差小于等于1℃；⑶用十进制数码管显示水的实际温度。
2.2、发挥部分⑴采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量；⑵温度控制的静态误差小于等于0.2℃；⑶在设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，自动打印水温随时间变化的曲线。
3、题目分析系统功能：基本部分：即为一个具有人工设定温度；能实时检测温度；当受控对象的温度受外界影响，而发生较小且缓慢变化时，能自动实现对受控对象的恒温控制；并能实时显示温度。从性能指标来看，基本部分的温度控制精度不高，调节时间不受限制。发挥部分：主要在以下几个方面增加了难度：a、测温和保温的精度由1℃提高到0.2℃；b、外界对温度的影响由“较小且缓慢变化”改成“突变”，即“当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时”，要求要能减小系统的调节时间和超调量；
c、增加了实时打印时间水温曲线的功能。三个发挥题的a主要是传感器的要求要提高；b的实现要求控温算法必须采用比例微分积分PID控制，否则，无法缩短调节时间减小超调量；要完成打印功能，除了要设计好时间水温曲线的图像函数外，还要增加通信电路。
4、电路结构分析：测温电路显示驱动电路控制电路水功率电路加热电路键盘输入
5、方案论证5.1、测温电路测温元件以半导体集成温度传感器为佳。他的精度、可靠性都很好，使用方便，是一种适应性很广的通用传感器。如图22.2.3以AD590为测温敏感元件、AD581为高精度稳压器、以及运放OP07为核心构成的典型测温电路。AD590将温度转化为电流信号；运放OP07的同相输入端由AD581提供高稳定的标准电压信号(0v)，其反相输入端由AD590经分压电路提供测量电压信号；反复调整两个可变电阻，并经过温度标度，使得电路在40℃时输出为0mv,90℃时为100mv，以满足题目对测量范围和精度的要求。
测温电路原理框图AD581控制器A/DAD590
几个问题：A、温度标定，获取标准电压信号；B、A/D转换的位数确定。由于（90-40）/0.2=250级，8位A/D转换器即可获得255级的精度，基本可以满足要求；考虑到留有余量，也可选用10位或12位转换器。
5.2功率电路及加热方式本系统要对水用电炉进行加热，功率较大；同时，还要能对电炉的工作状态进行控制，以调节水温（恒温控制）。采用电磁继电器或光耦合可控硅的功率驱动电路，是用小信号控制大电流，并实现功率控制的常用电路。教材P.112的图22.2.7和图22.2.8即为这种典型的功率电路。双向可控硅驱动时的交流过零检测问题，可参考教材P.113的说明。
5.3、控制器的设计控制器的工作原理测量值±⊿控制算法控制指令执行器（功率电路、加热炉）水比较设定值
5.3、控制器的设计5.3.1用CPLD/FPGA设计控制器的算法流程图：R1测量值R3R1-R2y计时器开始计时LED数码管轮流显示驱动电路控制算法开始R2设定温度R3≤0.2？n执行器（功率电路、加热炉）扫描测温电路、设温键盘控制指令停止计时计时器清零MUX
5.3.2用单片机设计控制器
5.3.3控制算法⑴、调节器的控制规律一个自动控制系统，在扰动作用和控制作用下，被控质量能否回到设定值上，或以什么样的途径，经过多长时间回到设定值上来，这不仅与过程的特性有关，也与调节器的特性有关。调节器的特性，是指调节器的输入与输出之间的关系。用数学式表示为：C=f(e)c为调节器输出的控制信号，e为比较器送来的偏差信号。调节器的基本控制规律有位式、比例、积分、微分等四种类型。实际应用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合，即有位式、比例、比例积分、比例微分、比例积分微分PID等。除位式是断续式的以外，其他的均属连续式控制。
⑵PID控制算法PID控制算法简单、实用，对各种控制对象具有非常广泛的适用性，通过现场的参数调试，可以获得较好的控制效果。尤其是控制温度，由于容量滞后较大，时间常数大，常用PID控制方式。所以，在本设计采用PID控制算法是比较合适的。PID控制算法可以表示为：在本例中，具体算法如下：
在本例中，具体算法如下：式中，u(i)为当前功率输出，T为采样时间，E为误差积累，KP为比例常数，TL为积分常数，TD为微分常数。根据具体情况，在调试中调节3个常数，可以达到较好的控制效果。为保证系统的稳定性，改善控制性能，应对E进行限幅，大于某一值时，停止E的累加。
6.通信电路
水温控制系统设计实验
1、任务：设计并制作一个水温自动控制系统。控制对象为1L净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设点，并能在环境温度降低时，实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。2、要求：2.1、基本要求⑴温度设定范围为40--90℃，最小区分度为1℃，标定温度小于等于1℃；⑵环境温度降低时（如用电风扇降温）温度控制的静态误差小于等于1℃；⑶用十进制数码管显示水的实际温度。
2.2、发挥部分⑴采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量；⑵温度控制的静态误差小于等于0.2℃；⑶在设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，自动打印水温随时间变化的曲线。
3、题目分析系统功能：基本部分：即为一个具有人工设定温度；能实时检测温度；当受控对象的温度受外界影响，而发生较小且缓慢变化时，能自动实现对受控对象的恒温控制；并能实时显示温度。从性能指标来看，基本部分的温度控制精度不高，调节时间不受限制。发挥部分：主要在以下几个方面增加了难度：a、测温和保温的精度由1℃提高到0.2℃；b、外界对温度的影响由“较小且缓慢变化”改成“突变”，即“当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时”，要求要能减小系统的调节时间和超调量；
c、增加了实时打印时间水温曲线的功能。三个发挥题的a主要是传感器的要求要提高；b的实现要求控温算法必须采用比例微分积分PID控制，否则，无法缩短调节时间减小超调量；要完成打印功能，除了要设计好时间水温曲线的图像函数外，还要增加通信电路。
4、电路结构分析：测温电路显示驱动电路控制电路水功率电路加热电路键盘输入
5、方案论证5.1、测温电路测温元件以半导体集成温度传感器为佳。他的精度、可靠性都很好，使用方便，是一种适应性很广的通用传感器。如图22.2.3以AD590为测温敏感元件、AD581为高精度稳压器、以及运放OP07为核心构成的典型测温电路。AD590将温度转化为电流信号；运放OP07的同相输入端由AD581提供高稳定的标准电压信号(0v)，其反相输入端由AD590经分压电路提供测量电压信号；反复调整两个可变电阻，并经过温度标度，使得电路在40℃时输出为0mv,90℃时为100mv，以满足题目对测量范围和精度的要求。
测温电路原理框图AD581控制器A/DAD590
几个问题：A、温度标定，获取标准电压信号；B、A/D转换的位数确定。由于（90-40）/0.2=250级，8位A/D转换器即可获得255级的精度，基本可以满足要求；考虑到留有余量，也可选用10位或12位转换器。
5.2功率电路及加热方式本系统要对水用电炉进行加热，功率较大；同时，还要能对电炉的工作状态进行控制，以调节水温（恒温控制）。采用电磁继电器或光耦合可控硅的功率驱动电路，是用小信号控制大电流，并实现功率控制的常用电路。教材P.112的图22.2.7和图22.2.8即为这种典型的功率电路。双向可控硅驱动时的交流过零检测问题，可参考教材P.113的说明。
5.3、控制器的设计控制器的工作原理测量值±⊿控制算法控制指令执行器（功率电路、加热炉）水比较设定值
5.3、控制器的设计5.3.1用CPLD/FPGA设计控制器的算法流程图：R1测量值R3R1-R2y计时器开始计时LED数码管轮流显示驱动电路控制算法开始R2设定温度R3≤0.2？n执行器（功率电路、加热炉）扫描测温电路、设温键盘控制指令停止计时计时器清零MUX
5.3.2用单片机设计控制器
5.3.3控制算法⑴、调节器的控制规律一个自动控制系统，在扰动作用和控制作用下，被控质量能否回到设定值上，或以什么样的途径，经过多长时间回到设定值上来，这不仅与过程的特性有关，也与调节器的特性有关。调节器的特性，是指调节器的输入与输出之间的关系。用数学式表示为：C=f(e)c为调节器输出的控制信号，e为比较器送来的偏差信号。调节器的基本控制规律有位式、比例、积分、微分等四种类型。实际应用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合，即有位式、比例、比例积分、比例微分、比例积分微分PID等。除位式是断续式的以外，其他的均属连续式控制。
⑵PID控制算法PID控制算法简单、实用，对各种控制对象具有非常广泛的适用性，通过现场的参数调试，可以获得较好的控制效果。尤其是控制温度，由于容量滞后较大，时间常数大，常用PID控制方式。所以，在本设计采用PID控制算法是比较合适的。PID控制算法可以表示为：在本例中，具体算法如下：
在本例中，具体算法如下：式中，u(i)为当前功率输出，T为采样时间，E为误差积累，KP为比例常数，TL为积分常数，TD为微分常数。根据具体情况，在调试中调节3个常数，可以达到较好的控制效果。为保证系统的稳定性，改善控制性能，应对E进行限幅，大于某一值时，停止E的累加。
6.通信电路
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