1.基本要求

　　一升水由1kw的電爐加熱，要求水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。

　　2.主要性能指標(biāo)

　　a. 溫度設(shè)定范圍：30-90℃，最小區(qū)分度為1℃。

　　b. 控制精度：溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃。

　　c. 用十進制數(shù)碼顯示實際水溫。

　　d. 能打印實測水溫值。

　　3.擴展功能

　　a. 具有通信能力，可接受其他數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)來的命令，或?qū)⒔Y(jié)果傳送到其他數(shù)據(jù)設(shè)備。

　　b. 采用適當(dāng)?shù)目刂品椒▽崿F(xiàn)當(dāng)設(shè)定溫度與環(huán)境溫度突變時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。

　　c. 溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃。

　　d. 能自動顯示水溫隨時間變化的曲線。

　　第2節(jié) 總體方案設(shè)計

　　2.1總體方案的確定

　　2.1.1、控制方法選擇

　　由于水溫控制系統(tǒng)的控制對象具有熱存儲能力大，慣性也較大的特點。水在容器內(nèi)的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，因而可以歸于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來說，熱過程大多具有較大的滯后，它對任何信號的響應(yīng)都會推遲一段時間，使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。對于這樣一些存在大的滯后特性的過渡過程控制，一般來說可以采用以下幾種控制方案：

　　（1）輸出開關(guān)量控制：

　　對于慣性較大的過程可以簡單地采用輸出開關(guān)量控制的方法。這種方法通過比較給定值與被控參數(shù)的偏差來控制輸出的狀態(tài)：開關(guān)或者通斷，因此控制過程十分簡單，也容易實現(xiàn)。但由于輸出控制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數(shù)在兩個方向上變化的速率均為最大，因此容易硬氣反饋回路產(chǎn)生振蕩，對自動控制系統(tǒng)會產(chǎn)生十分不利的影響，甚至?xí)驗檩敵鲩_關(guān)的頻繁

　　動作而不能滿足系統(tǒng)對控制精度的要求。因此，這種控制方案一般在大慣性系統(tǒng)對控制精度和動態(tài)特性要求不高的情況下采用。

　?。?）比例控制（P控制）

　　比例控制的特點是控制器的輸出與偏差成比例，輸出量的大小與偏差之間有對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)負荷變化時，抗干擾能力強，過渡時間短，但過程終了存在余差。因此它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。使用時還應(yīng)注意經(jīng)過一段時間后需將累積誤差消除。

　　a. 比例積分控制（PI控制）

　　由于比例積分控制的特點是控制器的輸出與偏差的積分成比例，積分的作用使得過渡過程結(jié)束時無余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。雖然加大比例度可以使穩(wěn)定性提高，但又使過渡時間加長。因此，PI控制適用于滯后較小、負荷變化不大、被控量不允許有余差的控制系統(tǒng)，它是工程上使用最多、應(yīng)用最廣的一種控制方法。

　　b. 比例積分加微分控制（PID控制）

　　比例積分加微分控制的特點是微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成正比例，它對克服對象的容量滯后有顯著的效果。在比例基礎(chǔ)上加上微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差。因此，PID控制適用于負荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。

　　結(jié)合本例題設(shè)計任務(wù)與要求，由于水溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，因而很難判斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng)對控制品質(zhì)的要求。但從以上對控制方法的分析來看，PID控制方法最適合本例采用。另一方面，由于可以采用單片機實現(xiàn)控制過程，無論采用上述哪一種控制方法都不會增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對軟件作相應(yīng)改變即可實現(xiàn)不同的控制方案。因此本系統(tǒng)可以采用PID的控制方式，以最大限度地滿足系統(tǒng)對諸如控制精度、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。