臺灣博碩士論文加值系統

本論文設計及實作一個低成本且具備自動鑑別系統參數與設計控制器參數的恆溫控制器。在硬體架構中，本文使用8位元AVR微處理器[1]，其原因在於，AVR微處理器具有6組PWM通道、8組類比轉數位通道及53條可程式I/O接腳。本恆溫控制器之優勢：一、其軟硬體容易規劃，且為低成本之硬體，更可以免費取得AVR微處理器之C-compiler。二、執行恆溫控制的過程中，水溫之變化較為緩慢，因此，AVR微處理器之運算足以提供恆溫控制所需的速度。三、本控制器更可以使用分時多工之方式，來對多個系統進行控制，除了執行水溫之恆溫控制外，亦可以利用其他之類比轉數位通道及PWM通道，同時執行溼度控制、水量控制或其他受控系統之恆溫控制。
在控制法則上，本論文利用自動參數調整(auto-tuning)[3-6,10]對受控系統進行系統鑑別，並利用參考文獻[4]的方法來取得PID控制器參數。另外，使用反積分鎖死 (anti-windup) PID控制[2,7]改善在控制中容易產生較大之超越量（overshoot）的問題，且利用條件積分之方式[8]使水溫更快到達設定之溫度目標。

A low cost temperature controller with auto-tuning capability is implemented in this thesis, by using an 8-bit AVR ATmega128 microcontroller [1]. The microcontroller has 6 PWM channels, eight 10-bit ADC channels, and 53 programmable I/O lines. The controller’s advantages are 1) the ISP (in system programming) is easy to setup and free, and 2) the AVR microcontroller’s C-compiler is free. The computational speed is acceptable because the slow dynamics of temperature control systems. By using time-sharing, the MCU (microcontroller) can control multiple target systems.
The target systems parameters are identified by using auto-tuning algorithm [3-6, 10]. The PID control parameters are then obtained via [4]. Further more, the anti-windup algorithm can reduce the overshoot, and furthermore using the condition integration theory [8] can achieve the setting temperature quickly.

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表列 vi
圖列 vii
第一章 緒論 1-1
1.1 研究動機與目的 1-1
1.2 研究背景 1-2
1.3 研究方法與系統描述 1-3
1.4 論文內容概述 1-4
第二章 恆溫控制器硬體與軟體架構 2-1
2.1 控制器之規格與整體架構 2-1
2.2 恆溫控制器之硬體架構說明 2-4
2.2.1 溫度感測電路 2-4
2.2.2 電源電路 2-12
2.2.3 輸出電路 2-15
2.3 恆溫控制器之軟體架構說明 2-17
2.3.1 PID控制 2-17
2.3.2 自動參數調整 2-20
2.3.3 反積分鎖死PID控制 2-24
2.3.4 軟體流程 2-29
第三章 受控系統參數之取得與PID控制比較 3-1
3.1 受控系統特性參數之取得 3-1
3.1.1 利用步階響應法取得受控系統之參數值 3-1
3.1.2 利用Relay開關之方式取得受控系統之參數值 3-3
3.1.3 利用步階響應法與Relay開關方式取得PID控制增益值 3-6
3.1.4 追蹤迴路式反積分鎖死PID控制之參數設定 3-8
第四章 恆溫控制之實驗結果 4-1
4.1 追蹤迴路式與PID控制參數設定之實驗結果 4-1
4.1.1 利用自動參數調整取得PID控制增益值之控制結果 4-1
4.1.2 追蹤迴路式反積分鎖死PID控制之參數設定的實驗結果 4-3
4.2 恆溫控制結果 4-9
4.2.1 追蹤迴路式反積分鎖死PID控制結果與PID 控制之結果比較 4-9
4.2.2 改變水量之反積分鎖死PID控制與PID控制之結果比較 4-12
4.2.3 條件積分式與追蹤迴路式反積分鎖死PID控制之結果比較 4-14
4.3 實體電路 4-19
第五章 結論與未來展望 5-1
5.1 結論 5-1
5.2 未來展望 5-5
附錄A 程式說明 A-1
參考文獻 R-1

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