基于单片机的通风系统温度控制的设计、建模与仿真

K.A . Akpado1, C.O . Ezeagwu2, A. Ejiofor3, A. o . Nwokeke4。

尼日利亚奥卡纳南迪·阿齐基维大学欧洲经委会高级讲师
尼日利亚奥卡纳南迪·阿齐基维大学欧洲经委会系讲师
尼日利亚奥卡的纳姆迪·阿齐基维大学公共环境研究系技术专家
尼日利亚，奥卡，Nnamdi Azikiwe大学，欧洲经委会专业，研究生

摘要

本文重点研究了以控制通风系统温度为目标的PID控制器的性能评估问题。建立了装置(室)和执行机构的数学模型。在此基础上，利用Simulink进行了控制器设计。利用Matlab/Simulink对模型进行仿真验证，采用Zeigler-Nichol整定方法对PID控制器参数进行整定，使系统在单位阶跃输入时获得理想的瞬态响应。使用proteus还捕获了该系统的示意图模型，并进行了动画模拟，以验证systemâ在不同温度条件下的性能。经过多次假设和仿真，得到了一组最优参数，在超调量、上升时间、峰值时间和沉降时间等方面都有较好的改善，提高了系统的鲁棒性和稳定性。

关键字

微控制器，pid控制器，瞬态，温度，稳定性。

介绍

供暖和通风系统在为我们的工作场所和家庭提供舒适、实用和健康的环境方面发挥着至关重要的作用。提供足够的供暖和通风在工业中变得越来越重要，特别是在员工密度高的办公大楼中。这不仅是提供工作条件以确保员工满意从而增加工作产出的关键问题;它现在是一个健康和安全问题，最近还导致了与空气质量和吸烟有关的劳资关系问题。随后，消防、健康和安全法规开始对建筑物中每小时可接受的换气次数和可接受的室温范围进行更严格的限制。

通风系统的设计、测试、运行和管理越来越依赖于仿真技术。这些技术与基于模型的通风系统分析和验证方法一起，提供了一个重要的工具，帮助用户通过在计算机上模拟系统的性能，对系统进行彻底的测试。通风系统通常是通过将室内温度保持在一定范围内来保持令人满意的舒适条件的设备

通风系统的能耗和室内舒适度高度依赖于系统和设备的设计、性能和控制。实现项目的一个强制性需求是模型获取，它描述了系统的复杂行为。该项目包括采集和建模技术以及基于微控制器的控制策略

2系统设计

该电路的工作是基于单片机和温度传感器(LM35)实现的PID控制器。温度传感器将温度变化转换为电信号的变化，然后通过PID控制器控制算法进行比较，从而激活风扇对系统进行冷却。微控制器接受来自一个简单的四键键盘的输入，允许设置点温度的规格，它显示设置点和测量室温度使用LCD显示器。最后，来自控制器的脉宽调制(PWM)输出用于驱动继电器，开关风扇。图1显示了系统设计在proteus上的示意图

为便于系统分析，系统设计框图如图2所示

3系统设计流程

温度控制系统是围绕系统动力学分析和控制系统设计与评估所需的几个数学模型建立的。图3显示了温度控制系统的闭环结构。在该结构中，系统动力学模型;传感器、执行器和计算效果是通常不能改变的基本要素。本文将重点分析PID控制器的设计与微调。该控制器的设计和微调需要将控制系统设计理论应用于图3中其他元素的动态模型。本节将推导出整个系统的简化数学模型。系统将通过使用工厂模型、传感器和执行器或这些组件的任何组合来模拟控制器模型来验证。系统应以最小峰值时间、上升时间、沉降时间和超调量来跟踪和/或调节所需的腔室温度。

A.舱室数学模型

考虑温度为θ1的质量M (kg)。物体被放置在温度为θ2的环境(室)中，热量Ã¯Â¿Â½Ã¯Â¿Â½被传递到物体中，导致其温度上升。系统为通风系统。使用LM35传感器作为传感设备来读取系统的温度读数，我们想知道传感器需要多长时间才能升温到与室内空气相同的温度。

根据热传导定律，该定律指出:

温升α

B.执行器的数学模型

应用电压和由电气冷却元件产生的能量之间的关系是非线性的。在本文中，这种关系是线性化的驱动风扇从脉冲宽度调制(PWM)信号。如图5所示，微控制器产生脉冲宽度调制信号，其中M和S是波形的标记和空间，T是周期，即T = M + S。该波形用于控制功率MOSFET开关，其中风扇元件作为该设备的负载连接。

风机电流的rm.s.可计算为:

C.温度传感器数学模型(LM35)

温度传感器为线性电压-温度关系的半导体器件，规定为10 mV/ Ã¢Â Â，即。

D.控制器的数学模型

在比例积分微分并联控制器[2]的设计中，采用了Ziegler-Nichols调谐律。之所以选择PID控制器，是因为它可能是工业过程控制应用中应用最广泛的方法。大量的文献描述了该控制器的连续和数字形式、性能评估、实现和自动调优形式。

连续PID控制器的框图如图6所示，其中Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为导数时间常数[3]。

标准PID算法的传递函数为:

四、仿真与结果

利用Matlab/Simulink对系统进行建模和仿真。分析了系统PID整定控制的仿真结果。图7。给出了温度控制系统的simulink框图

“1:

考虑以下PID控制器参数的假设值以及系统对这些值的响应

剧情:

结果

结果:表4

剧情:

结果:

试验三结果

D.结果分析

利用Matlab/Simulink工具箱对各参数进行测试，并选取最优参数在单片机上进行PID实现。结果表明，基于Zeigler-Nichols整定方法的系统对不同PID参数的阶跃输入响应良好。由结果可以推断，试验3的结果得到了在上升时间短、超调量小、沉降时间短、稳态误差小的情况下，具有更理想的瞬态响应的最优参数集，其中:

比例增益，Kp = 16.373，

积分时间，Ti = 0.1324，

导数时间，Td = 3.3287。

因此，在单片机上实现PID算法，并利用试验3获得的参数集进行模拟和微调，将对通风系统温度条件的变化具有更好的控制性能。

诉的结论

本文研究了基于单片机的通风系统温度控制的反馈控制策略的性能。对基于PID的控制器的性能进行了比较研究。该控制器的目标是在尽可能短的时间内将系统温度调节到所需的温度，并具有最小或无超调、短上升时间、小峰值时间和短稳定时间。将数学模型有效地应用于温度控制系统的设计。介绍了理论建模的一些方面。并对实验模型进行了研究，采用Zeigler-Nichols调谐技术得到了最佳的模拟结果

参考文献

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易卜拉欣d;“教学数字控制使用低成本单片机为基础的温度控制套件”。
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杨T;湘C;亨利·H;《压铸过程的模糊PID热控制》;第22届IEEE智能控制国际研讨会，ISIC 2007，新加坡，PP 389 - 394。
詹姆斯·s·麦克唐纳;“用微控制器控制温度”;一个跨学科的本科工程设计项目。
壮族Wua;罗德里克V.N.M;芬恩Borupc;“建筑环境中通风机组气流控制系统的模型分析与仿真”;2007.
Savanya m;Pamela D.，“直流电机的实时IMC整定PID控制器”，国际最新技术与工程杂志(IJRTE)，第1卷，第1期，2012年4月，pp 65 - 70。