图1 模拟控制的系统框图
方案二：用PLC做为设计的核心器件，通过使用相关部件的开关控制达到水温控制的目的。虽然采用PLC技术有可靠性高、稳定性好、实用性强以及便于文护等优点，但是由于PLC价格比较昂贵，不利于水温控制系统的推广，因此放弃了使用PLC技术的方案。
方案三：本系统以AT89S51芯片为核心，DS18B20作为水温的传感器，采用LCD1602对数据进行实时显示，并通过使用弱电控制强电实现对继电器的控制，从而对水温进行调节。此方案容易设计，硬件电路简单，造价较低，编程灵活等优点[3]。通过对上述三种方案的综合比较，最终选择了第三种方案。系统总体框图如图2所示：
图2 基于单片机的水温检测控制系统结构框图
2.2 控制算法选择
水温控制系统的控制对象具有热存储能力大，惯性也较大的特点。水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移[4]。对于这样一些存在大的滞后特性的过程控制，一般来说可以采用以下几种控制算法方案：
（1）输出开关量控制
对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法。这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态，实现开关或者通断，因此控制过程十分简单，也容易实现。但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易引起反馈回路产生振荡，对自动控制系统会产生十分不利的影响，甚至会因为输出开关的频繁动作而不能满足系统对控制精度的要求。因此，这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。
（2）比例控制（P控制）
比例控制的特点是控制器的输出与偏差成比例，输出量的大小与偏差之间有对应关系。当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡时间短，但过程终了存在余差。因此它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统，使用时还应注意经过一段时间后需将累积误差消除。
（3）比例积分控制（PI控制）
比例积分控制的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使得过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。虽然加大比例度可以使稳定性提高，但又使得过渡的时间加长[6]。因此，PI控制适用于滞后较小、负荷变化不大、被控量不允许有余差的控制系统，它是工程上使用最多、应用最广的一种控制方法。
（4）比例积分加微分控制（PID控制）
比例积分加微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成正比例，它对克服水的滞后性有显著的效果。在比例基础上加上微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差。因此，PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统[7]。
结合设计任务与要求，由于水温系统的传递函数事先难以精确获得，因而很难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求。但从以上对控制方法的分析来看，PID控制方法最适合本例采用。另一方面，采用单片机实现控制过程，无论采用上述哪一种控制方法都不会增加系统的硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案。因此本系统可以采用PID的控制方式，最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。
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