车载冰箱温度控制系统

课程大作业设计报告

(2019-- 2020年度第2学期)

课程名称：控制装置与仪表B

题 目：车载冰箱温度控制系统设计与仿真

院 系：控制与计算机工程学院

班 级：自动化1704

学 号：12

学生姓名：郭云泉

指导教师：张文彪

设计周数：2周

成 绩：

日期：2020年5月19日

一、

设计要求

1. 根据以下控制装置的组成设计一个车载冰箱温度控制系统（半导体制热和制冷），

并说明变送器控制器和执行器的选型以及相应装置的特点，同时阐述整个系

、

统的控制流程。

图1 控制装置的组成

e

s

G(s)

s1

，控制系统的采2. 假设车载冰箱温度控制系统被控对象的传递函数为

样周期T为0.5s，基于Matlab软件编写控制算法，实现以上系统对阶跃式温度

设定的仿真，完成控制器的参数整定,并分析控制参数对系统性能的影响。

二、设计正文

1.车载冰箱温度控制系统硬件设计及控制流程描述

1.1 温度控制系统总体设计架构

整个温控系统由Arduino单片机、LCD显示电路、供用户设置预期温度的按键、电源、

驱动电路、温度变送装置、半导体制冷片、保温箱体、变压器组成。总体设计框架

如图2所示：

图2

各个部分的相应功能：

Arduino单片机：整个温控系统的控制器。

按键：调整预期温度。

LCD显示电路：显示预期温度和实时温度。

温度变送装置：检测箱体内的温度并转化为数字量送给单片机。

驱动电路：将单片机输出的不同占空比的数字PWM脉冲信号转化为模拟的电压，并进

行功率放大，驱动半导体制冷片输出不同的功率。

半导体制冷片：对箱体内进行制冷。

变压器：将汽车电瓶的12V电压转换为5V电压对温控系统供电，其中LCD显示电路、

按键电路、温度变送装置均由单片机供电。

电源：汽车电瓶

1.2 控制器的选择

此温控系统通过控制器输出不同占空比的PWM，并经驱动电路放大后来控制制冷

片功率，从而实现温度调节。因此，控制器需要有能输出不同占空比PWM的IO接口。

且此温控系统实现的功能比较简单，对控制器运算能力要求比较低，因此选用了

Ardiuno Uno单片机作为控制器。

Arduino UNO是基于ATmega328P的Arduino开发板。它有14个数字输入/输出引脚

（其中6个可用于PWM输出）、6个模拟输入引脚，一个16 MHz的晶体振荡器，一个USB

接口，一个DC接口，一个ICSP接口，一个复位按钮。它包含了微控制器所需的一切，

你只用简单地把它连接到计算机的USB接口，或者使用AC-DC适配器，再或者用电池，

就可以驱动它。实物图与技术参数如图3、图4所示：

图3

图4

各个引脚功能如下：

①Vin：电源输入引脚。当使用外部电源通过DC电源座供电时，这个引脚可以

输出电源电压。

②5V：5V电源引脚。使用USB供电时，直接输出USB提供的5V电压；使用外部电

源供电时，输出稳压后的5V电压。

③3V：33.3V 电源引脚。最大输出能力为50 mA。

④GND：接地引脚

⑤IOREF：I/O参考电压。其他设备可通过该引脚识别开发板I/O参考电压。

⑥Serial：0（RX）、1（TX），被用于接收和发送串口数据。这两个引脚通过连

接到ATmega16u2来与计算机进行串口通信。

⑦外部中断：2、3，可以输入外部中断信号。中断有四种触发模式：低电平触

发、电平改变触发、上升沿触发、下降沿触发。

⑧PWM输出：3、5、6、9、10、11，可用于输出8-bit PWM波。对应函数

analogWrite() 。

⑨SPI：10（SS）、11（MOSI）、12（MISO）、13（SCK），可用于SPI通信。可以

使用官方提供的SPI库操纵。

⑩L-LED：13。13号引脚连接了一个LED，当引脚输出高电平时打开LED，当引

脚输出低电平时关闭LED。

⑾TWI：A4（SDA）、A5（SCL）和TWI接口，可用于TWI通信，兼容I²C通信。可

以使用官方提供的Wire库操纵。

⑿AREF：模拟输入参考电压输入引脚。

⒀Reset：复位端口。接低电平会使Arduino复位，复位按键按下时，会使该端

口接到低电平，从而让Arduino复位。

1.3温度变送装置的选择

考虑到车载冰箱实际应用和控制器接口资源有限，温度变送装置应具有体积

小，测量精度高，占用接口资源少的特点，因此，采用DS18B20作为测量变送装置。

实物图和封装图如图5、图6所示：

图5 图6

相关技术特性如下：

①、 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处

理器与DS18B20的双向通讯。

② 、测温范围 －55℃～+125℃，固有测温误差1℃。

③、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，

实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

④、工作电源: 3.0~5.5V/DC （可以数据线寄生电源）

⑤ 、在使用中不需要任何外围元件

⑥、 测量结果以9~12位数字量方式串行传送

接线原理图如图7所示：

图7

1.4 半导体制冷片的选择

选取TEC1-12706型半导体制冷片。实物图如图8所示：

图8

相

关特性参数如下：

外部尺寸：40*40*3.75

mm

内部阻值：2.1~2.4Ω（环境温度23±1℃,1kHZ Ac测试）

最大温差：△Tmax(Qc=0) 67℃以上。

工作电流：Imax=4.3-4.6A（额定12V时）

额定电压：12V（Vmax：15V启动电流5.8A）

致冷功率：Qcmax 60-72W

工作环境：温度范围 -55℃～80℃（过高的环境温度降直接影响制冷效率）

1.5 驱动电路的设计

根据帕尔贴效应，半导体制冷片的吸热量的大小与电压值成正比，通过改变制冷片两端的

电压值便可以改变制冷片的功率。温控系统是通过输出不同占空比的PWM脉冲信号来改变制冷

片两端电压值，从而实现改变制冷片功率的目的。虽然选用的控制器具备输出 PWM 的功能，

但是仅靠 Arduino Uno 单片机的输出无法驱动制冷片工作，所以选用 AQMH2407ND 作为外

部驱动电路的驱动芯片，驱动制冷片工作。AQMH2407ND相关电气参数和接线原理图如图9、

图10所示：

图9

图10

1.6 变压器的选择

车载冰箱由汽车自带的12V电源供电，但单片机需要5V电源供电，且LCD显示电路、

按键电路、温度变送装置均由单片机供电。因此需要使用DC-DC转换器调节电源输出

的电压值，为单片机提供稳定的电能。选用LM2596电压转化模块，它是用LM2596芯

片配合外部电路组成的具有稳定降压功能的变换器。接线原理图如图11所示：

图11

1.7 LCD显示电路和按键的设计

1.7.1 LCD显示电路

温控系统需要显示预期温度和实时温度，选用LCD1602液晶显示器作为显示模

块。LCD1602能显示16列*2行字符，可以显示字母、数字、汉字、符号等。

LCD1602

采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，本系统采用14脚无背光即可，各引脚接口

说明见表1：

表1

由于此次选择的控制器Arduino Uno单片机的IO口有限，所以引入一种Inter-Integrated

Circuit总线结构，仅需要时钟信号SCL和数据信号SDA两条总线就能实现设备之间的通信。按照

图12接线原理图接线。

图12

1.7.2 按键模块

按键模块主要实现对预期温度的加减，因此需要一加一减两个独立按键。接线原理

图如图12所示：

图12

1.8 散热模块

半导体制冷是基于帕尔贴效应，热端的散热情况关系到冷端的制冷效率。为保

证冷端制冷效果，在热端需加装散热板和散热风扇。散热板可选择铜制或铝制金属

板。散热风扇选取任意由12V电源供电的即可。

1.9 系统控制流程

系统开始工作后通过按键输入预期的温度并在LCD1602上显示，DS18B20测量冰

箱内的温度，将温度信号转化为数字量返送给单片机并显示在LCD1602显示装置上。

单片机根据实时温度与预设温度的偏差，对TEC1-12706半导体制冷片输出功率进行

调整，直至冰箱内温度到达预设温度，控制过程结束。在调节过程中，测量变送器

测量的温度始终实时显示在显示器上。

1.10 关于控制系统存在的干扰及抗干扰措施

①.不同功能的模块均有接地，但由于各个模块接地点不同，可能产生共模干扰。只

需要将各个芯片的接地点接在一起进行共地处理即可。

②.由汽车电瓶驱动整个温度控制系统，电瓶可能由于老化造成输出电压减小，但通

过LM2596转换即可得到稳定的电源。

③.为避免冰箱内温度变化造成系统频繁启停，应在控制器中加入惰性区，当实时温

度与预设温度的偏差超过一定限度后再启动系统进行制冷。

2.车载冰箱温度控制系统软件仿真

PID算法的实现分析：此次仿真采用理想的位置型算式，控制器输出规律如下图。

将被控对象传递函数离散化：

因此求得输出相应与控制器输出之间的关系：

在MATLAB中实现以上两条核心算式即可。

2.1 被控对象在无控制器时的阶跃响应

2.1.1 程序：

G=tf([1],[1,1],'iodelay',1);%建立被控对象传递函数

sys=feedback(G,1);

step(sys) %绘制阶跃响应曲线

2.1.2 运行结果：

调节时间ts=6.6s;超调量overshoot=38.4%;上升时间：tr=0.546s;峰值时tp=2.36s

2.2 加入位置型PID控制（参数均设置为1）后的阶跃响应：

2.2.1 程序：

ts=0.5; %采样时间为0.5s

G=tf(1,[1,1],'iodelay',1); %建立被控对象传递函数

dsys=c2d(G,ts,'z'); %z变换离散化

[num,den]=tfdata(dsys,'v'); %以向量的格式输出num和den

el=0; %上一时刻的偏差

ul=0; %上一时刻输出的控制量

u2=0; %上上时刻输出的控制量

u3=0; %上上上时刻的输出的控制量

yl=0; %上一时刻输出的响应值

sum_e=0; %偏差累计量

kp=1; %比例系数

ki=1; %积分系数(ki=kp*ts/ti)

kd=1; %微分系数（kd=kp*td/ts）

u=zeros(1,1000); %设置一行1000列的零向量，将控制量预设为0

time=zeros(1,1000); %设置1000个时间点

for k=1:1:1000 %设置1000次循环，每次步进值为1

time(k)=k*ts; %每个计算点对应的时间

r(k)=1; %设置期望值

y(k)=-1*den(2)*yl+num(2)*u3;%系统响应输出序列

e(k)=r(k)-y(k); %计算误差值

u(k)=kp*e(k)+ki*sum_e+kd*(e(k)-el); %PID控制器输出

sum_e=sum_e+e(k); %更新偏差累计量

u3=u2; %更新上上上一时刻输出的控制量

u2=ul; %更新上上一时刻输出的控制量

ul=u(k); %更新上一时刻输出的控制量

yl=y(k); %更新上一时刻输出的响应值

el=e(k); %更新上一时刻的偏差

end %循环结束

plot(time,y);xlim([0,10]);

hold on;

2.3 衰减曲线法对PID调节器的整定及整定后的阶跃响应

2.3.1 在纯比例作用下，逐步改变比例带大小，直至响应曲线衰减率为0.75。经多

次试凑，得在kp=1.041，即比例带δs=0.9606时,衰减率为0.75。

2.3.1.1 程序：

ts=0.5; %采样时间为0.5s

G=tf(1,[1,1],'iodelay',1); %建立被控对象传递函数

dsys=c2d(G,ts,'z'); %z变换离散化

[num,den]=tfdata(dsys,'v'); %以向量的格式输出num和den

el=0; %上一时刻的偏差

ul=0; %上一时刻输出的控制量

u2=0; %上上时刻输出的控制量

u3=0; %上上上时刻的输出的控制量

yl=0; %上一时刻输出的响应值

sum_e=0; %偏差累计量

kp=1.041; %比例系数

ki=0; %积分系数(ki=kp*ts/ti,令ti=无穷)

kd=0; %微分系数（kd=kp*td/ts，令td=0）

u=zeros(1,1000); %设置一行1000列的零向量，将控制量预设为0

time=zeros(1,1000); %设置1000个时间点

for k=1:1:1000 %设置1000次循环，每次步进值为1

time(k)=k*ts; %每个计算点对应的时间

r(k)=1; %设置期望值

y(k)=-1*den(2)*yl+num(2)*u3;%系统响应输出序列

e(k)=r(k)-y(k); %计算误差值

u(k)=kp*e(k)+ki*sum_e+kd*(e(k)-el); %PID控制器输出

sum_e=sum_e+e(k); %更新偏差累计量

u3=u2; %更新上上上一时刻输出的控制量

u2=ul; %更新上上一时刻输出的控制量

ul=u(k); %更新上一时刻输出的控制量

yl=y(k); %更新上一时刻输出的响应值

el=e(k); %更新上一时刻的偏差

end %循环结束

plot(time,y);xlim([0,20]);

hold on;

2.3.1.2 运行结果：

临界振荡周期ts=4s。

2.3.2 整定参数

2.3.2.1 根据此表，整定PID控制器参数，

程序如下

ts=0.5; %采样时间为0.5s

G=tf(1,[1,1],'iodelay',1); %建立被控对象传递函数

dsys=c2d(G,ts,'z'); %z变换离散化

[num,den]=tfdata(dsys,'v'); %以向量的格式输出num和den

el=0; %上一时刻的偏差

ul=0; %上一时刻输出的控制量

u2=0; %上上时刻输出的控制量

u3=0; %上上上时刻的输出的控制量

yl=0; %上一时刻输出的响应值

sum_e=0; %偏差累计量

dets=0.9606; %δs赋值

det=0.8*dets; %δ赋值

kp=1/det; %比例系数

tk=4; %振荡周期为4s

ti=0.3*tk; %积分时间

ki=kp*0.5/ti; %积分系数(ki=kp*ts/ti)

td=0.1*tk; %微分时间

kd=kp*td/0.5; %微分系数（kd=kp*td/ts）

u=zeros(1,1000); %设置一行1000列的零向量，将控制量预设为0

time=zeros(1,1000); %设置1000个时间点

for k=1:1:1000 %设置1000次循环，每次步进值为1

time(k)=k*ts; %每个计算点对应的时间

r(k)=1; %设置期望值

y(k)=-1*den(2)*yl+num(2)*u3;%系统响应输出序列

e(k)=r(k)-y(k); %计算误差值

u(k)=kp*e(k)+ki*sum_e+kd*(e(k)-el); %PID控制器输出

sum_e=sum_e+e(k); %更新偏差累计量

u3=u2; %更新上上上一时刻输出的控制量

u2=ul; %更新上上一时刻输出的控制量

ul=u(k); %更新上一时刻输出的控制量

yl=y(k); %更新上一时刻输出的响应值

el=e(k); %更新上一时刻的偏差

end %循环结束

plot(time,y);xlim([0,20]);

hold on;

2.3.2.2 运行结果：

整定结果仍然不够理想，根据经验对参数进行再次整定。

2.3.3 二次整定

2.3.3.1 根据经验法对参数进行整定，kp、ki、kd分别调整至0.8、0.3、0.3 。

ts=0.5; %采样时间为0.5s

G=tf(1,[1,1],'iodelay',1); %建立被控对象传递函数

dsys=c2d(G,ts,'z'); %z变换离散化

[num,den]=tfdata(dsys,'v'); %离散化后提取分子分母

el=0; %上一时刻的偏差

ul=0.0; %上一时刻输出的控制量

u2=0; %上上时刻输出的控制量

u3=0; %上上上时刻的输出的控制量

yl=0; %上一时刻输出的响应值

sum_e=0; %偏差累计量

kp=0.8 %比例系数

ki=0.3 %积分系数(ki=kp*ts/ti)

kd=0.3 %微分系数（kd=kp*td/ts）

u=zeros(1,1000); %设置一行1000列的零向量，将控制量预设为0

time=zeros(1,1000); %设置1000个时间点

for k=1:1:1000 %设置1000次循环，每次步进值为1

time(k)=k*ts; %每个计算点对应的时间

r(k)=1; %设置期望值

y(k)=-1*den(2)*yl+num(2)*u3;%系统响应输出序列

e(k)=r(k)-y(k); %计算误差值

u(k)=kp*e(k)+ki*sum_e+kd*(e(k)-el); %PID控制器输出

sum_e=sum_e+e(k); %更新偏差累计量

u3=u2; %更新上上上一时刻输出的控制量

u2=ul; %更新上上一时刻输出的控制量

ul=u(k); %更新上一时刻输出的控制量

yl=y(k); %更新上一时刻输出的响应值

el=e(k); %更新上一时刻的偏差

end %循环结束

plot(time,y);xlim([0,50]);

hold on;

2.3.3.2 运行结果如下：

与未加pid控制器时的阶跃响应相比较，超调量overshot=13.6%，明显降低，调

节时间明显减少，响应速度加快。

2.4 控制参数对系统性能的影响

设置不同的控制参数，分别作出相应的响应曲线，比较各个参数或控制环节对系统

性能的影响。

2.4.1 程序：

PID=[2.4,0,0;

2.4,0.88,0;

3.4,0.88,0;

2.4,1.8,0;

2.4,1.8,0.25;

2.4,1.8,1]; %初始化6组PID参数

for pid=1:1:6; %设置大循环，pid参数分别取不同的值

ts=0.5; %采样时间为0.5s

G=tf(1,[1,1],'iodelay',1); %建立被控对象传递函数

dsys=c2d(G,ts,'z'); %z变换离散化

[num,den]=tfdata(dsys,'v'); %以向量的格式输出num和den

el=0; %上一时刻的偏差

ul=0.0; %上一时刻输出的控制量

yl=0; %上一时刻输出的响应值

sum_e=0; %偏差累计量

kp=PID(pid,1); %比例系数

ki=PID(pid,2); %积分系数

kd=PID(pid,3); %微分系数

u=zeros(1,1000); %设置一行1000列的零向量，将控制量预设为0

time=zeros(1,1000); %设置1000个时间点

for k=1:1:1000 %设置1000次循环，每次步进值为1

time(k)=k*ts; %每个计算点对应的时间

r(k)=1; %设置期望值

y(k)=-1*den(2)*yl+num(2)*ul+num(1)*u(k);%系统响应输出序列

e(k)=r(k)-y(k); %计算误差值

u(k)=kp*e(k)+ki*sum_e+kd*(e(k)-el); %PID控制器输出

sum_e=sum_e+e(k); %更新偏差累计量

ul=u(k); %更新上一时刻输出的控制量

yl=y(k); %更新上一时刻输出的响应值

el=e(k); %更新上一时刻的偏差

end %循环结束

subplot(2,3,pid);

plot(time,y);xlim([0,10]);

title(['Kp=',num2str(kp),'Ki=',num2str(ki),'Kd=',num2str(kd)])

hold on; %在同一幅图中以2行3列同时输出6组pid参数作

用下的在0-10s内的响应曲线，标题分别为对应的pid参数值

end %循环结束

2.4.2 运行结果：

2.4.3 运行结果分析：

①理论上，增大比例系数kp会使系统上升时间缩短，即响应速度加快，但由于本系

统采样周期T=0.5s过大，在图中难以比较。但比较图二图三可知，比例系数kp增大

时，系统振荡次数增多，调节时间变长。在系统稳定的前提下，适当增大kp可以减

小稳态误差，但并不能彻底消除稳态误差。

②比较图一图二图三可知，当引入积分环节，能够减少系统振荡次数，缩短调节时

间。但当积分系数ki增大，即积分时间偏小时，系统重新出现振荡，调节时间也相

应增大，若继续增大积分作用，系统可能不稳定。积分作用有助于消除系统误差，

提高系统控制精度。

③比较图四五六可知，当引入微分作用，能够减少超调量，缩短调节时间。但微分

作用过强，即微分时间偏大，都会适得其反，且系统振荡次数增多，甚至不稳定。

适当的微分作用有助于增加系统稳定性。

三、大作业收获和建议

1.对PID控制理解加深，在实现PID控制之前，回顾了增量型和位置型PID算式，从实

质上认识了PID控制。虽然位置型算式涉及误差累积，但借助MATLAB能够轻松实现，

所以选取了算法容易实现的位置型算式。

2.对PID整定方法的认识由抽象到具象，也是首次实际操作进行PID参数整定。此次

参数整定采取了较为简单的临界比例带法，相关参数求取参考了李遵基老师《热工

自动控制系统》一书中相关内容。此外，参数整定也参考了流传较广的PID参数整定

口诀。上课过程中，始终疑惑PID整定的最终预期曲线该如何判断，实际操作后，才

理解“理想曲线两个波，前高后低四比一”。

3.在2.4内容中，通过直观地比较不同PID参数下的系统响应曲线，重新系统、直观

的感受到PID控制各个环节和参数对系统性能的影响。

4.由于对MATLAB相关知识，尤其编程语言的不熟悉，此次大作业进展缓慢，在逐步

的摸索中，对MATLAB的使用和编程语言更加熟悉（系统构建、PID实现、figure图像

的相关调整）。

5.了解到课程之外一些硬件特性参数、工作原理，也是第一次深切地体会到自动控

制既简单又复杂，简单到一个小小的单片机芯片就能实现，但要想真正能应用到实

际操作，又需要调教各项参数，设计各种算法规避干扰带来的影响。

6.建议在PID控制部分的课程讲解，尤其是参数整定部分，结合MATLAB绘图讲授，就

自身来说，在课上这部分内容十分抽象，实际上手一次之后，理解和记忆都很深刻。

同时，也希望MATLAB课程能纳入专业必修，专业课学习的越深入，越感受到MATLAB

的实用性，相比于其他编程语言，MATLAB语言更通俗易懂，simulink建模也非常直

观实用。但这方面我们的确少有涉及，用处大但不会用的硬伤真的很伤。

参考文献

[M]李遵基.热工自动控制系统.北京：中国电力出版社，1997

[M]田涛.过程计算机控制及先进控制策略的实现.北京：机械工业出版

社，2006

[M]陆会明.控制装置与仪表.北京：机械工业出版社，2007