室內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,710302）

室內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王飛騰

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,710302）

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)在室內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，人們?cè)絹?lái)越多地采用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的自動(dòng)控制。計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的變革，室內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也達(dá)到了一定的水平高度。本文對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了闡述，并介紹了一種室內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，還對(duì)其系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)明。

室內(nèi)溫度；自動(dòng)控制；軟件設(shè)計(jì)

0 引言

溫度是各類行業(yè)中控制生產(chǎn)的重要的參數(shù)指標(biāo)。目前，人們研制出了各種類型的溫度控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同對(duì)象的溫度控制。就當(dāng)前的情況而言，軟件控制算法的技術(shù)已經(jīng)比較完善，而溫度控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)仍然存在一些問(wèn)題。CPLD器件在室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)中被廣泛采用，它可以對(duì)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。本文設(shè)計(jì)了一種以8051單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)，其控制部分使用的是CPLD器件。

1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)在室內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。就本質(zhì)情況而言，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理主要包括三大部分，分別為：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制決策和實(shí)時(shí)控制輸出。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)被測(cè)控量的瞬時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入和檢測(cè)。

實(shí)時(shí)控制決策：對(duì)被測(cè)控量的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，并依據(jù)相應(yīng)的控制規(guī)律，決定控制行為。

實(shí)時(shí)控制輸出：發(fā)出控制信號(hào)，按要求完成控制任務(wù)。

2 室內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括兩個(gè)部分，分別為：功率控制部分和溫度測(cè)量部分。室內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖，如圖1所示。

圖1 室內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖

2.1 功率控制部分

一般的功率控制方法主要包括兩種，分別為：調(diào)功和調(diào)相。

調(diào)功：對(duì)單位時(shí)間內(nèi)功率器上的波頭數(shù)進(jìn)行控制，以達(dá)到控制系統(tǒng)功率的作用。

調(diào)相：對(duì)可控硅的導(dǎo)通角進(jìn)行控制，以控制功率器在導(dǎo)通時(shí)的電壓幅度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器的精確控制。

其控制電路的框圖，如圖2所示。這一部分的硬件部分由CPLD器件實(shí)現(xiàn)。

圖2 溫度控制電路框圖

本系統(tǒng)對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，對(duì)其硬件電路的描述，如下所示：

第一，對(duì)220V市電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)?V的電壓信號(hào)，這一過(guò)程需要通過(guò)變壓器來(lái)完成。然后，將5V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為50Hz的方波信號(hào)，這一過(guò)程通過(guò)零比較器來(lái)完成。

第二，50Hz的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為100Hz的窄脈沖信號(hào)。

第三，利用8位計(jì)數(shù)器對(duì)25kHz的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。

第四，將計(jì)算得出的數(shù)值輸入到數(shù)字比較器，進(jìn)行比較分析。

2.2 溫度測(cè)量部分

溫度測(cè)量部分的電路主要包括三個(gè)方面，分別為：信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理電路和信號(hào)采集電路。

信號(hào)轉(zhuǎn)換電路：為了方便8051單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路真多不同的被控對(duì)象，通過(guò)不過(guò)的溫度傳感器的作用，實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

信號(hào)處理電路：通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換而來(lái)的電信號(hào)，通常是小的電壓信號(hào)。這種小的電壓信號(hào)由于受到控制精度的限制，需要經(jīng)過(guò)放大處理之后，才能送入A/D轉(zhuǎn)換器。本文中所設(shè)計(jì)的室內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)安裝了程控差分放大器，其信號(hào)處理的電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)處理電路

信號(hào)采集電路：信號(hào)采集電路由12位的A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。室內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制精度主要是由A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)決定的，它與字長(zhǎng)成正比關(guān)系，字長(zhǎng)越大，控制精度也就越高。12位的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度較高?？梢赃_(dá)到±0.012%。本系統(tǒng)中，我們選擇的A/D轉(zhuǎn)換器是由Maxim公司生產(chǎn)的高速A/D轉(zhuǎn)換器MAX197。該轉(zhuǎn)換器相比于一般的A/D轉(zhuǎn)換器，其具有電路簡(jiǎn)單、品質(zhì)高和微機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)。此外，MAX197的數(shù)據(jù)總線時(shí)序可以與通用的微處理器相容。

對(duì)該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，我們可以看出，CPLD器件是其核心，CPLD器件具有可以重新配置的特點(diǎn)。CPLD器件實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心功能，配合其他的輔助電路，使得該系統(tǒng)的功能較佳。該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上具有開(kāi)放性，它在一定程度上促進(jìn)了系統(tǒng)軟件的開(kāi)放。

3 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)的軟件算法控制，一般包括兩種，分別為：PID算法控制和達(dá)林（Dahlin）算法控制。本文中所設(shè)計(jì)的室內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)可以運(yùn)用不同的軟件算法，測(cè)算不同的被控對(duì)象，控制系統(tǒng)的靈活性得到了很大的提高。在實(shí)際的控制過(guò)程中，由于被控對(duì)象具有純滯后性和非線性的特點(diǎn)，這就使得PID控制的控制性能有所下降，所以本文對(duì)達(dá)林（Dahlin）算法進(jìn)行重點(diǎn)分析和討論。用達(dá)林（Dahlin）算法對(duì)被控對(duì)象的純滯后性和非線性進(jìn)行控制，具有很好的效果。

3.1 達(dá)林（Dahlin）算法的數(shù)學(xué)模型

被控對(duì)象具有滯后性，其為一階慣性環(huán)節(jié)，函數(shù)表達(dá)式為：

達(dá)林（Dahlin）算法設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要是為了讓整個(gè)系統(tǒng)期望的函數(shù)，與延時(shí)環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)組合的函數(shù)相等。其函數(shù)表達(dá)式為：

通過(guò)上式可以得出達(dá)林（Dahlin）算法的基本形式：

其中

3.2 達(dá)林（Dahlin）算法參數(shù)的整定

達(dá)林（Dahlin）算法參數(shù)的整定，主要包括以下幾個(gè)方面，分別為：

第一，根據(jù)圖4被控對(duì)象的飛升曲線，確定被控對(duì)象的時(shí)間參數(shù)和滯后的時(shí)間參數(shù)。

第二，對(duì)相關(guān)指標(biāo)，如：超調(diào)量和控制精度等，進(jìn)行綜合分析，選取合適的采樣周期T。

Design of automatic control system of indoor temperature

Wang Feiteng
(Shaanxi Institute Of Technology,710302)

Along with the development of society and the progress of science and technology,automatic control in the indoor temperature system in computer technology has been widely used,more and more people use the computer technology to realize the automatic control of the room temperature.Continuous improvement and innovation of computer technology,has brought great changes to the computer control system,automatic control system design of the indoor temperature has reached a certain level.This paper discusses the computer control system,and introduces an automatic control system for the indoor temperature,but also to the application of system are described.

indoor temperature;automatic control;software design