目錄第一章緒論1.1課題研究的背景與意義隨著社會(huì)不斷進(jìn)步，科技不斷提高和測(cè)量溫度在諸多領(lǐng)域內(nèi)使用已經(jīng)成為現(xiàn)代溫控系統(tǒng)發(fā)展的主要焦點(diǎn)，特別是近年來溫控系統(tǒng)的發(fā)展尚未成熟。MATLAB能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種控制系統(tǒng)的仿真，仿真效果良好，能夠直觀地反映控制效果。利用MATLAB對(duì)內(nèi)部溫度控制進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了算法的正確性和可行性。溫度是日常生活中不可缺少的部分，并且在生活中廣為應(yīng)用。例如，必須調(diào)節(jié)某一區(qū)域內(nèi)電廠塔的溫度；許多化學(xué)反應(yīng)過程對(duì)溫度的要求都非常嚴(yán)格；在石油煉制中，控制好溫度才能得到日常生活中用到的汽車汽油和汽車柴油等產(chǎn)品。我們用的手機(jī)等電子設(shè)備在不適宜的環(huán)境下也無法工作，儲(chǔ)藏的糧食腐爛，酒的質(zhì)量得不到保證，因此，我們現(xiàn)實(shí)生活的各個(gè)方面的領(lǐng)域?qū)κ覂?nèi)溫度控制的需求逐漸加大。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)高精度的室內(nèi)溫度控制器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值，它首次應(yīng)用于時(shí)滯系統(tǒng)的管理和智能控制方法中，近年來受到了廣泛的影響。同時(shí)，將這兩種方法結(jié)合起來的組合控制因其各自的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。目前，人類賴以生存的主要能源是石油、煤炭和天然氣。這三種能源都不是可再生能源，總有一天會(huì)耗盡，目前，為了保持室內(nèi)溫度的舒適，人們大多使用空調(diào)制冷和制熱。然而，空調(diào)的耗電量非常高。同時(shí)，每年都有大量的熱量從室外空調(diào)器排放到大氣中，因此，尋找一種新的室內(nèi)恒溫系統(tǒng)解決方案，對(duì)保護(hù)環(huán)境、方便人們的生活具有重要意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)階段，雖然我國對(duì)于溫度控制水平有所提高，但是我國與其他國家相比對(duì)于溫度的控制水平并不高。以美國、日本為首的發(fā)達(dá)國家對(duì)溫控的水平明顯高于我們。目前，我國的恒溫控制技術(shù)處于80年代末，只能適應(yīng)一般的溫度調(diào)節(jié)。只有吸收發(fā)達(dá)國家的溫度測(cè)控技術(shù)，我們的工程技術(shù)人員才能掌握局限于室內(nèi)環(huán)境中單一環(huán)境因素溫度控制的微機(jī)控制技術(shù)。我國的控制技術(shù)與發(fā)達(dá)國家的控制技術(shù)有很大差距，我國溫度測(cè)控的現(xiàn)狀與工廠化水平相差甚遠(yuǎn)。實(shí)際生產(chǎn)中還存在諸多問題。這就是為什么我國在恒溫控制和其它控制儀表行業(yè)與國外有一定差距的原因。近年來，國內(nèi)傳感器向集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、MATLAB方向發(fā)展，為新一代溫度測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，隨著MATLAB技術(shù)的迅速發(fā)展，MATLAB被廣泛應(yīng)用于被控對(duì)象的控制，具有體積小、功能強(qiáng)、盈利能力強(qiáng)的特點(diǎn)。利用MATLAB進(jìn)行溫度控制，可以更好地發(fā)揮溫度控制的作用。智能孵化器是利用MATLAB進(jìn)行溫度控制的一個(gè)典型應(yīng)用，借助MATLAB作為控制單元，可以滿足溫度檢測(cè)和控制的要求。PID控制作為工業(yè)控制和工程實(shí)踐中最早、應(yīng)用最廣泛的控制方法，已有70多年的歷史，PID在實(shí)際應(yīng)用中不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，取得了相當(dāng)?shù)某晒Ｖ貜?fù)控制應(yīng)用于伺服重復(fù)軌跡的高精度控制，不僅跟蹤周期性輸入信號(hào)，基于工業(yè)控制中被控對(duì)象的純滯后性，史密斯提出的純補(bǔ)償模型在保證被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型精確的前提下，具有良好的控制效果；卡爾曼濾波提出的濾波理論對(duì)控制和測(cè)量噪聲干擾有很好的濾波效果；密歇根大學(xué)提出的遺傳算法簡(jiǎn)單、并行，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，PID控制的發(fā)展越來越復(fù)雜。我國對(duì)CAD控制系統(tǒng)和仿真技術(shù)的研究和應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展速度很快，從20世紀(jì)50年代開始，仿真技術(shù)就被應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)物體的自動(dòng)控制領(lǐng)域?；诜匠探：湍M計(jì)算的數(shù)學(xué)仿真得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，將該硬件應(yīng)用于自行研制的三軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)研制飛機(jī)和火箭技術(shù)模型的環(huán)模實(shí)驗(yàn)，在60年代末進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)仿真時(shí)，對(duì)離散系統(tǒng)仿真進(jìn)行了研究，從70年代末到80年代中期，我國在控制系統(tǒng)仿真研究領(lǐng)域采用了basic語言和FORTRAN語言，并且有少數(shù)教材使用C語言作為最重要的編程語言來編寫仿真程序，上世紀(jì)80年代末，MATLAB軟件的初始版本被引入我國并應(yīng)用于高校，但由于缺乏足夠的編程資料，大多數(shù)用戶很難系統(tǒng)地掌握這門語言，這給MATLAB在其他領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣帶來了困難。PID控制是目前廣泛分布的控制方式，因?yàn)镻ID控制算法可以應(yīng)用到諸多控制對(duì)象，在一些發(fā)達(dá)國家（如日本），PID控制的使用率為85.4%，實(shí)現(xiàn)了PID控制器，綜合了系統(tǒng)過去（I）、現(xiàn)在（P）和將來（d）的信息。動(dòng)態(tài)過程不需要太多的預(yù)測(cè)知識(shí)。因此，溫度控制器參數(shù)的配置是PID控制系統(tǒng)研究中一個(gè)相當(dāng)重要且在現(xiàn)實(shí)中比較有用的方向。1.3主要研究?jī)?nèi)容本文采用PID算法設(shè)計(jì)了室內(nèi)恒溫系統(tǒng)，對(duì)室內(nèi)恒溫系統(tǒng)進(jìn)行控制，介紹了PID控制算法、模糊控制算法和模糊PID控制算法，并利用MATLAB對(duì)室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的各個(gè)被控對(duì)象的各種算法進(jìn)行了仿真。通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)PID算法只有對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定才會(huì)達(dá)到好的控制作用。模糊控制不依賴于系統(tǒng)的精確模型，是解決不安全系統(tǒng)的有效方法。但在確定了定量因子和比例因子后，控制精度不高，適應(yīng)性有限。本課題在借鑒相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究與分析，其主要內(nèi)容包括:1、查詢與本課題相關(guān)資料和文獻(xiàn)，了解本系統(tǒng)的研究意義和目的。2、通過查閱資料確定該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)哪些功能。3、學(xué)習(xí)matlab使用方法，對(duì)Simulink仿真硬件部分4、對(duì)設(shè)計(jì)好的電路進(jìn)行檢查仿真，通過仿真發(fā)現(xiàn)問題并加以解決，仿真完成后記錄好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而完善該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。5、最后，整理各階段的設(shè)計(jì)記錄文檔，寫成論文稿。

第二章控制系統(tǒng)分析的理論基礎(chǔ)第二章控制系統(tǒng)分析的理論基礎(chǔ)第二章控制系統(tǒng)分析的理論基礎(chǔ)在控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)中，拉普拉斯變換和Z變換是非常重要的工具，因此，在研究室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之前，首先要了解相關(guān)的背景知識(shí)。2.1拉式變換2.1.1拉普拉斯變換在室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)過程中，拉普拉斯變換是一個(gè)十分重要的工具，拉普拉斯變換又叫拉式變換。微分方程通過拉普拉斯換算成了一個(gè)代數(shù)方程。(1)拉普拉斯變換給定連續(xù)函數(shù)x(t)，當(dāng)t<0時(shí)，我們認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，當(dāng)t=0這一時(shí)刻把x（t）加到系統(tǒng)上，可以求出拉普拉斯變換式Fs=在式（2-1）中，F(xiàn)(s)為x（t）的相函數(shù)，x（t）是F(s)原函數(shù)。對(duì)于一個(gè)式子做拉式變換時(shí)，用查表法可以直接得出結(jié)果，十分方便。(2)拉普拉斯逆變換對(duì)原始時(shí)間函數(shù)x（t）得到拉普拉斯變換F（s）我們管它叫拉普拉斯逆變換，其形式為下列復(fù)變積分：xt在研究控制系統(tǒng)時(shí)，拉普拉斯變換是基礎(chǔ)，它可以用傳遞函數(shù)表示控制系統(tǒng)的特性。不僅能確定系統(tǒng)特性，還能分析了控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程，而且可能會(huì)實(shí)現(xiàn)用直觀、簡(jiǎn)單的圖形化方法建立了綜合控制系統(tǒng)的校正裝置。2.1.2傳遞函數(shù)線性常系數(shù)微分方程如下aa0,a對(duì)上式兩端進(jìn)行拉氏變換，可得Y(s)R(s)令Gs=這里的G(s)表示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。根據(jù)傳遞函數(shù)公式，我們把階數(shù)換成相應(yīng)的倒數(shù)，令其分母等于0得到其系統(tǒng)特征方程，公式中分母的s的最大階數(shù)為系統(tǒng)階數(shù)，如多項(xiàng)式分母中s的最高階數(shù)為n，這個(gè)系統(tǒng)稱為n階系統(tǒng)。從式(2-3)和式(2-4)還可以看出，傳遞函數(shù)G(s)是s的有理分式，我們可以將(2-3)表示為G=k(s+式中k系統(tǒng)增益，k=b0-zipj2.1.3反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)在設(shè)計(jì)控制室內(nèi)恒溫系統(tǒng)時(shí)，反饋控制系統(tǒng)是最常見的。反饋控制的典型結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1反饋控制的典型結(jié)構(gòu)圖2.2離散控制系統(tǒng)的Z變換離散控制系統(tǒng)與連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)不同。離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有一處或幾處信號(hào)，這些信號(hào)在時(shí)間上是離散的，所以我們把它叫做離散時(shí)間系統(tǒng)。離散系統(tǒng)又分為采樣控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)）。圖2-2是誤差采樣控制系統(tǒng)，它是一個(gè)離散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在室內(nèi)溫度控制中用得最多。由圖2-2可以看出系統(tǒng)中有一系列信號(hào)是離散的，所以誤差采樣控制系統(tǒng)是一個(gè)離散系統(tǒng)也叫數(shù)字系統(tǒng)。圖2-2誤差采樣閉環(huán)控制系統(tǒng)我們一般用拉式變換處理連續(xù)系統(tǒng)，而處理數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，我們采用的是Z變換的方法。Z變換方法與線性定常離散系統(tǒng)之間的關(guān)系和拉普拉斯變換比較相似。將系統(tǒng)分析的重要工具和根軌跡的功能應(yīng)用在離散控制系統(tǒng)。2.2.1Z變換Z變換是直接由拉普拉斯變換導(dǎo)出的一種變換方法。Z變換的定義:對(duì)于給定連續(xù)函數(shù)e(t)的拉氏變換為Es=0對(duì)于采樣信號(hào)e?(t)，其表達(dá)式e?t=?∞∞enTδ(t?nT)由廣義脈沖函數(shù)的篩選性質(zhì)：?∞∞δ所以，采樣信號(hào)的Z變換定義為Ez=記作：Ez=Z2.2.2閉環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)本文只分析了室內(nèi)恒溫控制中常見的誤差采樣系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3誤差采樣閉環(huán)離散控制系統(tǒng)從圖中可以看出，輸出和誤差信號(hào)的拉氏變換為CS=GS我們知道ES=RS我們得到結(jié)論ES=RS于是，誤差采樣信號(hào)e?(t)的拉氏變換我們得出C?對(duì)上述兩式進(jìn)行z變換，得EzCz所以，閉環(huán)數(shù)字系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為Φ閉環(huán)數(shù)字系統(tǒng)對(duì)于輸入脈沖傳遞函數(shù)為Φ2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖描述與連接室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)都是由幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成，例如，恒溫器控制系統(tǒng)以結(jié)構(gòu)圖的形式呈現(xiàn)，如圖2-4所示，那么為了進(jìn)行全面分析，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程等集中表達(dá)式，MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱提供了將結(jié)構(gòu)圖模型轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)整體模型的相關(guān)函數(shù)和命令。圖2-4恒溫室控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖在MATLAB中建立圖2-4系統(tǒng)的整體模型，簡(jiǎn)單的做法是采用connect連接函數(shù)，大致有三步：（1）建立系統(tǒng)的中間狀態(tài)模型（2）建立系統(tǒng)的連接矩陣（3）建立系統(tǒng)整體模型2.4控制系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)及典型輸入2.4.1控制系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)是由諸多環(huán)節(jié)構(gòu)成。它們根據(jù)各自的動(dòng)太特性分為不同的環(huán)節(jié)。因?yàn)樵诜治鱿到y(tǒng)的時(shí)候只考慮每一個(gè)部分動(dòng)態(tài)特性，和每一個(gè)環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)和功能沒有關(guān)系。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)時(shí)，要?jiǎng)澐譃橹T多環(huán)節(jié)，在室內(nèi)溫度控制領(lǐng)域，常見的典型環(huán)節(jié)有慣性環(huán)節(jié)、比例環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)。2.4.2控制系統(tǒng)的典型輸入信號(hào)控制系統(tǒng)的輸出是我們處理問題的關(guān)鍵所在。系統(tǒng)的輸出響應(yīng)不僅取決于系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、初始狀態(tài)。它與輸入之間的關(guān)系也是需要我們?nèi)タ紤]的。一般情況我們會(huì)把輸入定為零初始狀態(tài)。這樣做可以更方便、更直觀地對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。系統(tǒng)的響應(yīng)就僅由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)、參數(shù)決定。常用的典型輸入信號(hào)有以下幾種形式：（1）階躍函數(shù)定義為：u圖像如圖所示2-5所示。圖2-5階躍函數(shù)圖像t=0時(shí)的階躍信號(hào)相當(dāng)于系統(tǒng)中突然加入的一個(gè)恒定信號(hào)，如命令的突然變化、電源的突然接通、負(fù)載的突然變化、新給定值的突然輸入等，這些都是帶有階躍作用的。（2）單位脈沖函數(shù)δ(t)定義為：u單位脈沖函數(shù)圖像如圖2-6所示。圖2-6單位脈沖函數(shù)圖像單位脈沖函數(shù)在現(xiàn)實(shí)中并不存在，但它是系統(tǒng)分析的重要工具。一般情況下，加入到系統(tǒng)上的大幅度、短時(shí)間的輸入函數(shù)可以看作脈沖函數(shù)。（3）斜坡函數(shù)定義為：u斜坡函數(shù)圖像如圖2-7所示。圖2-7斜坡函數(shù)斜坡函數(shù)相當(dāng)于在控制系統(tǒng)中放入一個(gè)速率恒定變化的輸入信號(hào)，而這時(shí)的恒定速度為U。（4）正弦函數(shù)正弦函數(shù)定義：u上式中A表示振幅，ω表示角頻率，其拉式變換為Aω其圖像如圖2-8所示。圖2-8正弦函數(shù)圖像輸入正弦函數(shù)信號(hào)時(shí)，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)也會(huì)實(shí)時(shí)變化，這樣可以更直觀地觀察系統(tǒng)在不同頻率下的動(dòng)態(tài)性能。在控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)中，輸入信號(hào)的選用是至關(guān)重要的，我們通常會(huì)選用對(duì)系統(tǒng)無負(fù)影響且更加直觀地觀察到動(dòng)態(tài)變化。例如，在室內(nèi)恒溫控制系統(tǒng)中，輸入信號(hào)一般變化比較快，使用階躍函數(shù)當(dāng)作數(shù)型的輸入信號(hào)。由于室外的溫度是隨時(shí)間變化的，這種情況下我們選用的輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，當(dāng)然我們也可以選擇其他類型的輸入信號(hào)，只是這種情況下的輸入信號(hào)選用正弦信號(hào)更能直觀地反應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。需要指出的是，系統(tǒng)的性能與輸入信號(hào)無關(guān)，只與其動(dòng)態(tài)特性相關(guān)。第三章PID控制與模糊控制第三章PID控制與模糊控制第三章PID控制與模糊控制3.1PID控制PID控制器在工業(yè)控制過程中應(yīng)用廣泛。但是，由于工業(yè)控制過程中比較復(fù)雜、時(shí)變性和時(shí)滯性，很難得到精確的數(shù)學(xué)模型。通常用一階慣性環(huán)節(jié)或二階慣性環(huán)節(jié)加純滯后來使高階對(duì)象降階。根據(jù)它的算法比較簡(jiǎn)單，魯棒性能好，比較可靠，應(yīng)用性廣，使用方便。所以我們通常選用該算法建立控制系統(tǒng)的模型。但是，現(xiàn)實(shí)中很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，建立的數(shù)學(xué)模型也無法達(dá)到其應(yīng)有的效果。3.1.1模擬PID控制模擬控制系統(tǒng)的原理框圖如圖3-1所示，室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)由模擬控制器和被控對(duì)象組成。圖3-1模擬控制系統(tǒng)原理圖控制器的偏差e(t):e(t)=r(t)-c(t)當(dāng)我們對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制時(shí)，得出公式如下：u傳遞函數(shù)為：G其中Kp比例系數(shù)，Ti3.1.2數(shù)字PID控制當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制算法時(shí)，我們選用的輸入和輸出信號(hào)都是離散信號(hào)。首先，將PID控制被控對(duì)象的連續(xù)形式應(yīng)改為離散形式，我們得到其相應(yīng)的離散形式如下：u或者：u根據(jù)Z變換性質(zhì)：ZZ上式變換為：U于是，從上式可以可得到數(shù)字PID控制器的Z傳遞函數(shù)為：G數(shù)字PID控制器的控制框圖為圖3-2:圖3-2數(shù)字PID控制器控制框圖3.1.3PID控制器的參數(shù)整定方法在使用PID控制器對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制時(shí)，我們需要對(duì)系統(tǒng)的一些參數(shù)進(jìn)行整定，一般進(jìn)行整定的方法有試湊法和擴(kuò)充臨街比例度法，這兩種方法都是非常重要且實(shí)用的方法。（1）湊試法這種方法也叫經(jīng)驗(yàn)法，它是按照從小到大的順序?qū)?shù)進(jìn)行整定。（2）擴(kuò)充臨界比例度法這種方法首先將調(diào)節(jié)器在純比例的控制下，然后由小到大調(diào)節(jié)比例值。兩個(gè)相鄰峰之間的時(shí)間間隔稱為臨界振蕩周期Tu。如圖3-3所示，Ku，Tu由PID圖3-3臨界振蕩響應(yīng)表3-1擴(kuò)充臨界比例度法參數(shù)整定公式KpTiTd比例0.5Ku比例積分0.45Ku0.85Tu比例積分微分0.6Ku0.5Tu0.125Tu（3）過渡過程響應(yīng)法Cohen和coon提出的C-C方法，這種算法把被控對(duì)象看做成一階純滯后慣性環(huán)節(jié)。G根據(jù)開環(huán)的研究，可以通過測(cè)量系統(tǒng)的單位響應(yīng)曲線來確定延時(shí)時(shí)間τ和時(shí)間常數(shù)T，所以PID參數(shù)通過如下公式來整定：對(duì)于比例控制:K對(duì)于比例積分控制:KTi=(對(duì)于比例積分微分控制:KTi=(T3.1.4大純滯后過程的控制純滯后環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的影響不依賴于τ的絕對(duì)值與案例領(lǐng)域中的常數(shù)(τ/T)之比，通常當(dāng)τ/T>0.5時(shí)，可以看作成一個(gè)大的純滯后過程。Smith預(yù)測(cè)補(bǔ)償控制的思想是引入適當(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償環(huán)節(jié)，可以讓閉環(huán)傳遞函數(shù)的墳?zāi)共缓儨蟓h(huán)節(jié)。圖3-4引入補(bǔ)償環(huán)節(jié)的框圖由圖3-4可以看出加入一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)得到的傳遞函數(shù)為:G令閉環(huán)特征方程為：1+G由上兩式得：1+G圖3-5Smith預(yù)估補(bǔ)償控制由圖3-5可知，原來值與設(shè)定值R(s)進(jìn)行相應(yīng)對(duì)比得出測(cè)量值是控制作用u利用G0se?τs后的輸出，相當(dāng)與有e?τs的純滯后。通過對(duì)Gk(s)反饋補(bǔ)償后，Gk(s)中含有G0s3.2模糊控制3.2.1模糊控制基本思想模糊控制是將模塊化數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，將精確量擴(kuò)散到“自然語言”的擴(kuò)散量中，再由美國的混淆推理規(guī)則根據(jù)人類的思維方式來計(jì)算這些混淆量。我們?nèi)四X經(jīng)過思維推理把混亂的事物轉(zhuǎn)化成精確量，進(jìn)行全過程的人工控制。3.2.2模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)基本的模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。圖3-6模糊控制器基本結(jié)構(gòu)由圖可以得知，模糊控制器主要由模糊化、知識(shí)庫、模糊推理、清晰化四部分組成。3.2.3模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊控制器控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分，模糊控制器的好壞可以直接影響到系統(tǒng)的性能。所以，設(shè)計(jì)一種高效的模糊控制器具有十分重要的意義。以下為設(shè)計(jì)控制器的具體步驟步驟：1.選擇合適的控制器結(jié)構(gòu)模糊控制器的結(jié)構(gòu)是非常重要的，它的輸入輸出直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。控制器的輸入變量為誤差或誤差變化率，輸出變量為被控對(duì)象的一些變化的變量，輸入變量越多，控制器的控制效果越好。選取模糊控制規(guī)則選定描述控制器輸入和輸出變量的語義詞匯選用的輸入輸出變量越多，控制效果越好，通常情況下，我們會(huì)把選擇7到9個(gè)模糊狀態(tài)。規(guī)定模糊集對(duì)應(yīng)系統(tǒng)誤差可分為下列7個(gè)模糊狀態(tài)：PL，PM，PS，ZE，NS，NM，NL。對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的誤差變化率EC的語言變量，可分為7個(gè)模糊狀態(tài)：PL，PM，PS，ZE，NS，NM，NL。（3）確定模糊化的解模糊策略在我們進(jìn)行模糊化操作時(shí)，需要得到一個(gè)明確的量，一般我們會(huì)采用最大隸屬度法、中位數(shù)法和重心法。3.2.4溫度模糊控制器的設(shè)計(jì)如圖3-7所示，輸入量為誤差E和誤差變化率EC。圖3-7溫度模糊控制器結(jié)構(gòu)原理圖模糊子集如下:E={NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}；EC={NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}；U={NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}；選取各輸入量與輸出量的論域?yàn)?輸入變量的論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+l，+2，+3，+4，+5，+6}；輸入變量的論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-l，0，+l，+2，+3，+4，+5，+6}；輸出變量的論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。我們現(xiàn)在使用的模糊規(guī)則是人們經(jīng)過長期的經(jīng)驗(yàn)積累起來的。它是研究被控對(duì)象的重要工具，如果我們選用數(shù)字模型時(shí)，根據(jù)上文設(shè)定的模糊規(guī)則表如表3-2所示。表3-2模糊規(guī)則UENLNMNSZEPSPMPLECNLNLNLNLNLNMNSZENMNLNLNLNMNSZEPSNSNLNLNMNSZEPSPMZENLNMNSZEPSPMPLPSNMNSZEPSPMPLPLPMNSZEPSPMPLPLPLPLZEPSPMPLPLPLPL3.3模糊PID控制模糊PID控制是模糊控制和PID控制相結(jié)合的一種控制方法，我們通常采用這種方法設(shè)計(jì)模糊控制和PID控制中的一些不足之處，取二者之長，補(bǔ)二者之短。模糊PID控制的優(yōu)點(diǎn)是不需要控制被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，只需要人們通過控制規(guī)則設(shè)計(jì)控制決策表，然后用模糊PID指令對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，并采用模糊推理方法在線調(diào)整PID參數(shù)，不僅方便簡(jiǎn)單而且控制精度高，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。3.3.1模糊PID控制器結(jié)構(gòu)模糊PID控制器原理框圖如圖3-8所示。圖3-8模糊PID控制器原理框圖3.3.2模糊控制器的設(shè)計(jì)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行模糊整定，其關(guān)鍵在于比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)與偏差和偏差變化率之間的關(guān)系，以偏差和偏差變化率作為輸入變量，那三個(gè)系數(shù)作為被控的輸出變量，通過得到的諸多組偏差和偏差變化率來對(duì)輸出變量，即比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)進(jìn)行一次次的修改整定，這樣可以讓系統(tǒng)有更好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)性能。模糊子集?。簕NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL}，論域均為：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，對(duì)于各模糊子集我們采用三角形隸屬函數(shù)，因?yàn)檫@樣可以讓論域的覆蓋程度更廣，靈敏度更快，穩(wěn)定性更強(qiáng)，如圖3-9所示為各變量的隸屬度函數(shù)示意圖。圖3-9隸屬度函數(shù)3.3.3模糊推理及模糊決策模糊推理與模糊決策的步驟如下：（1）參照控制規(guī)則表撰寫相應(yīng)的模糊推理語句；（2）模糊推理，通過Mamdani推理法進(jìn)行相應(yīng)推理；（3）根據(jù)重心法進(jìn)行模糊決策，計(jì)算式為:Z其中uc第四章室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第四章室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第四章室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)4.1.1室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要由空調(diào)房間、控制計(jì)算機(jī)、中泰PC-6313工控接口板、執(zhí)行器(光固態(tài)繼電器)、空調(diào)暖風(fēng)機(jī)、信號(hào)調(diào)理板、溫度傳感器七部分組成。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖房間溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖4-2所示。圖4-2房間溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖4.1.2系統(tǒng)工作原理在封閉的內(nèi)部溫室環(huán)境里嵌入了可調(diào)空氣暖風(fēng)機(jī)，這個(gè)機(jī)器可以將內(nèi)部溫室的氣體與外界環(huán)境進(jìn)行循環(huán)交互處理，并且在氣體進(jìn)行交互的同時(shí)，溫度傳感器進(jìn)行工作，對(duì)周圍溫度進(jìn)行采集并且以電信號(hào)的形式輸出給CPU的A/D轉(zhuǎn)換通路之中。在接口板的A/D轉(zhuǎn)換通路中模擬量電信號(hào)會(huì)被轉(zhuǎn)化成相數(shù)值的數(shù)字量信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過主控制器的控制程序后與預(yù)先給定的理想溫度做差，最終經(jīng)過控制率給出控制量，輸出的控制量經(jīng)過PC-6313通訊板輸送至執(zhí)行器中（繼電器），從而經(jīng)過執(zhí)行電路來控制空氣調(diào)換器和升溫裝置的開關(guān)。調(diào)節(jié)空調(diào)中的加熱器以增加室內(nèi)熱量時(shí)，通過溫度傳感器測(cè)量環(huán)境溫度。采用D/A轉(zhuǎn)換器采集溫度并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上。通過調(diào)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到溫度控制曲線。這樣，PID控制下的系統(tǒng)控制效果就可以很容易地觀察到。最終使用VisualBasic擬合出相關(guān)控制曲線。4.2被控對(duì)象的特性4.2.1空調(diào)房間的特性空調(diào)房間在本文中即是具有多個(gè)控制目標(biāo)的對(duì)象。用集中參數(shù)來代替控制目標(biāo)使得控制目的更加簡(jiǎn)單化，這在大多數(shù)項(xiàng)目中是常見的。有些環(huán)境對(duì)溫度分布有特殊要求，可以用有限元法計(jì)算，系統(tǒng)沒有空間要求，因此不應(yīng)考慮。圖4-3為帶空調(diào)的精致室內(nèi)模型。圖4-3空調(diào)房間的簡(jiǎn)化模型圖中：Q0——房間增長的能量（W）；QL——控制輸入風(fēng)量（m3/sc1——溫室比熱（J/kg·℃），取c1＝1005J/kg·ρ1——控制輸入風(fēng)量密度（kg/m3），取ρ1=1.2kgt0Q1——溫室內(nèi)部流通的能量（W）；t1C1——溫室預(yù)期比熱（W）V——溫室占地空間（m3）當(dāng)進(jìn)行溫室溫度控制時(shí)，由于必須遵循能量守恒定律，同一時(shí)段被控對(duì)象吸收的能量減去同一時(shí)段內(nèi)離開物體的能量等于物體內(nèi)儲(chǔ)能的變化率，以圖4-3中室內(nèi)為例，得出：（室內(nèi)的蓄熱量變化率）＝[（每小時(shí)送入室內(nèi)的空氣熱量）+（每小時(shí)室內(nèi)設(shè)備、照明和人員的散熱量）+（每小時(shí)屋外傳送到屋內(nèi)的熱量）-（每小時(shí)從房間傳出的空氣熱量）]對(duì)應(yīng)的公式為：C=L=L該式整理得：C令：T=C1LK=Lc1ρ1tf1=tf2tf=故有：T上式就是室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)中房間對(duì)的動(dòng)態(tài)微分方程，通過該式可以看出式中t0和tf是室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，而t1是室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的前饋信號(hào)。輸入信號(hào)是改變被控對(duì)象的因素，其中t0為控制器計(jì)算出的控制率對(duì)上式進(jìn)行拉式變換得：Ts+1所以，控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為G4.2.2電加熱器和換熱器的特性（1）電加熱器理論優(yōu)勢(shì)由于系統(tǒng)運(yùn)行必須遵循能量第一定律，也就是在相同時(shí)間內(nèi)電加熱器所吸收的能量與相同時(shí)間內(nèi)電加熱器釋放的能量的差值在數(shù)值上為電加熱器內(nèi)能變化率，動(dòng)態(tài)方程如下:C兩邊進(jìn)行拉普拉斯變換得：T由熱平衡可知：G通過上面的式子得到電加熱器輸出端的拉普拉斯變換：TT0Tis、（2）換熱器特性由于熱量變換器兩端的流體相變化沒有改變，特別是流動(dòng)緩慢時(shí)液側(cè)的傳熱，往往為分布參數(shù)，分布參數(shù)中的變量不再被局限在二維空間下的時(shí)間函數(shù)，更是拓展為三維空間下的空間函數(shù)。為了簡(jiǎn)化對(duì)換熱器動(dòng)態(tài)特性的描述，可以用經(jīng)驗(yàn)公式來描述換熱器的動(dòng)態(tài)特性。熱量變換器控制輸入溫度對(duì)T1i輸出溫度T1o的影響，即T1iT從式中可以得出結(jié)論，熱量變換器的T1i→T4.2.3執(zhí)行器的特性針對(duì)室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)來說，較為方便的執(zhí)行電路大多為電動(dòng)式可調(diào)水閥與電動(dòng)式可調(diào)空氣閥、電磁感應(yīng)閥、高溫繼電器、變頻器。這些元件就可以構(gòu)成控制系統(tǒng)的執(zhí)行電路，其主要功能就是控制各種被控對(duì)象和被控參數(shù)（水溫、氣溫）的增減等等，本設(shè)計(jì)首要的控制對(duì)象則是水閥。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的基本組成單位是執(zhí)行機(jī)構(gòu)和物理調(diào)節(jié)閥，其理論本質(zhì)就是一個(gè)積分器。G對(duì)K取值如下：K=在上式中，△(Q/Q△(L/L△V為電動(dòng)執(zhí)行器的輸入信號(hào)變化范圍。4.2.4溫度傳感器的特性從熱平衡原理空氣對(duì)溫度傳感器傳遞的熱量等于傳感器內(nèi)部熱量的變化特性，可以得到傳感器的特性方程為C對(duì)方程兩邊做拉氏變換，得到信號(hào)采集器的傳函：G其中，C為信號(hào)采集器的熱容；T代表采集器的時(shí)間常數(shù)，T=C4.3系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析4.3.1控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差當(dāng)系統(tǒng)輸出狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，發(fā)生變化的的系統(tǒng)輸出和系統(tǒng)輸入之間的關(guān)系稱為穩(wěn)態(tài)特性，穩(wěn)態(tài)誤差可以反映穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的性能，根據(jù)輸入信號(hào)將穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)誤差分為擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差和給定作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。假設(shè)其差值e(t)為誤差信號(hào)，即e(t)=u(t)?b(t)，當(dāng)時(shí)間t→∞時(shí)，得到的值就是穩(wěn)態(tài)誤差值，用esse給定作用下的穩(wěn)態(tài)誤差：e由此可知，系統(tǒng)的給定誤差由系統(tǒng)的開環(huán)傳函和輸入兩個(gè)因素決定。擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差：e從上式可以了解到，系統(tǒng)的干擾誤差取決于誤差傳遞函數(shù)和系統(tǒng)中的干擾量，當(dāng)控制系統(tǒng)受到干擾信號(hào)時(shí)，在保證輸出和給定的輸入相一致的同時(shí)干擾對(duì)出口的影響應(yīng)盡可能小。因此，對(duì)輸出入口影響的研究反映了室溫控制系統(tǒng)系統(tǒng)的抗干擾能力。通過上面的分析可知，欲減小系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)誤差，可以采用以下方法：1.可以通過誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ūＷC系統(tǒng)反饋周期分量的準(zhǔn)確和規(guī)律性。2.為了提高系統(tǒng)對(duì)輸入的跟蹤能力，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)；需要注意的是，在增大系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)的同時(shí)會(huì)減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性。為了解決這個(gè)問題，通常需要增加一個(gè)校正裝置來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.采用pi/ID調(diào)節(jié)器，可以消除不同輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)可以保證系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能。4.為進(jìn)一步減小數(shù)據(jù)和干擾的穩(wěn)態(tài)誤差，可采用復(fù)合控制或功率控制，在控制對(duì)象的控制信號(hào)中除了引入偏差信號(hào)外，還引入與干擾或指示量有關(guān)的補(bǔ)償信號(hào)，提高系統(tǒng)控制精度，減小誤差。4.3.2應(yīng)用MATLAB進(jìn)行控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能分析控制系統(tǒng)的性能可以通過系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線來獲得，在MATLAB中，我們提供了獲得連續(xù)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的函數(shù)，以及獲得任意輸入作用下的連續(xù)系統(tǒng)的Isim函數(shù)，及其調(diào)用格式為step(num,den,t)；lsim(num,den,u,t)；Num和den為線性連續(xù)系統(tǒng)傳函模型多項(xiàng)式系數(shù)向量的分子和分母，t為選定的仿真時(shí)間向量，利用MATLAB的Simulink工具研究溫控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定性能，并對(duì)溫控系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真分析。1、給定作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)利用函數(shù)step獲得單位階躍輸入下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。程序如下：>>[pnum,pden]=pade(30+18,1);>>num=conv([225,1],conv([25,1],conv(pnum,[0.22*0.37*0.0373])));>>num1=conv([225,0,0],conv([300,1],conv([25,1],conv([120,1],pden))));>>num2=conv([0.22*0.37*0.0373],conv([225,1],pnum));>>num2=[0,0,0,0,-0.6831495,0.0254283425,0.00012650916667];>>den=num1+num2;>>t=0:1:8000;>>step(num,den,t)在查看器窗口的編輯菜單下，選擇參數(shù)選項(xiàng)，將模擬時(shí)間定義為8小時(shí)；然后通過窗口中Simulink菜單下的setoperatingpoint命令設(shè)置溫控系統(tǒng)的工作點(diǎn)。在此使用使用系統(tǒng)的默認(rèn)值，點(diǎn)擊OK確認(rèn)，然后在LTIviewer窗口的給定步驟下繪制室內(nèi)溫控系統(tǒng)的反應(yīng)曲線，如圖4-4所示。圖4-4階躍給定作用下的房間溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線從圖可知，室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的曲線圖由初始值0，呈指數(shù)增長，振蕩逐漸減小，最后穩(wěn)定在1，系統(tǒng)性能如下：：超調(diào)量：58.7%；調(diào)節(jié)時(shí)間：8.68e+003穩(wěn)態(tài)誤差：0。2、擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)利用lsim函數(shù)獲得溫控系統(tǒng)對(duì)應(yīng)干擾輸入作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。鑒于此溫控系統(tǒng)的擾動(dòng)信號(hào)主要是由空調(diào)室外溫度的波動(dòng)引起的，故擾動(dòng)信號(hào)為余弦波形式。這里，以長春的氣溫變化為例，即t程序如下：>>[pnum1,pden1]=pade(30,1);>>[pnum2,pden2]=pade(18,1);>>num=conv([120,1],conv([25,1],conv(pden2,conv(pnum1,[0.37*225,0,0]))));>>num1=conv([225,0,0],conv([300,1],conv([25,1],conv([120,1],conv(pden1,pden2)))));>>num2=conv([0.22*0.37*0.0373],conv([225,1],conv(pnum1,pnum2)));>>num2=0.68314950000000-0.118412580000000.004520594222220.00002249051852>>num2=[00000.6831495-0.118412580.004520594222220.00002249051852];>>den=num1+num2;>>t=0:1:8000;>>u1=-9+4.2*cos((2*pi/(3600*24))*t-15*2*pi/24);>>lsim(num,den,u1,t);同樣，設(shè)置停止時(shí)間為8小時(shí)；然后通過LTI視圖中Simulink下設(shè)置的操作點(diǎn)命令設(shè)置系統(tǒng)操作點(diǎn)。確認(rèn)后，在LTI視圖窗口中繪制室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線，如圖4-5所示。圖4-5單位階躍擾動(dòng)作用下的房間溫度響應(yīng)曲線由圖可知，室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)曲線圖由0開始，減小了振蕩，最終曲線穩(wěn)定到初值0，系統(tǒng)性能如下：超調(diào)量：15.4%；調(diào)節(jié)時(shí)間：9.15e+003穩(wěn)態(tài)誤差：0。3、給定輸入與擾動(dòng)同時(shí)作用下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)通過分析可知系統(tǒng)在給定輸入或擾動(dòng)信號(hào)的單一作用下的唯一響應(yīng)。實(shí)際上，兩個(gè)信號(hào)在系統(tǒng)中同時(shí)作用，系統(tǒng)階躍響應(yīng)不是從零開始的，通過值可能不是1（例如，將室溫從18℃升高到20℃），因此，有必要繼續(xù)研究系統(tǒng)在兩個(gè)信號(hào)同時(shí)作用下的有效功能。首先，步驟2模塊被添加到Simulaink窗口以在模擬登錄期間生成步驟單元標(biāo)志18。步驟2模塊被配置為產(chǎn)生從2秒到3600-12秒的步驟信號(hào)的值（表示配置值從2'world851；增加）比較器被修改為有三個(gè)輸入，系統(tǒng)仿真模型如圖4-6所示。圖4-6室內(nèi)恒溫控制系統(tǒng)的實(shí)際仿真模型系統(tǒng)的仿真參數(shù)由仿真菜單中的仿真參數(shù)控制來定義，仿真時(shí)間設(shè)置為24小時(shí)；FIM為了繪制更精確的曲線，去掉了ABAI/O中最后一個(gè)極限值的選擇，將系統(tǒng)仿真結(jié)果輸出到simout模塊（存儲(chǔ)在MATLAB工作空間中），并為陣列配置Gamma模塊的記錄屬性，仿真后，在matlab命令對(duì)話框中執(zhí)行以下命令。>>plot(tout,simout)可得如圖4-7的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。圖4-7恒溫室在給定和擾動(dòng)信號(hào)同時(shí)作用下的響應(yīng)曲線4.3.3離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能上述分析的系統(tǒng)只代表了溫控系統(tǒng)的連續(xù)控制，如果已知離散系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，就可以采用z變換法，為了分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，在MATLAB中給出了離散系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的dstep函數(shù)和離散系統(tǒng)任意一種輸入的dlsim函數(shù)。為dstep(num,den,n);dlsim(num,den,u,n);在上述公式中，Num和den分別為離散系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型多項(xiàng)式系數(shù)向量的分子和分母，n為仿真系統(tǒng)的采樣點(diǎn)數(shù)，u為任意輸入信號(hào)序列。對(duì)于圖3-20中規(guī)定的溫度控制系統(tǒng)，階躍單元響應(yīng)設(shè)計(jì)曲線的程序如下：>>dstep(num,den,150);程序運(yùn)行結(jié)果如圖4-8所示。圖4-8房間溫度采樣控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線由上圖可以看出系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，離散的響應(yīng)曲線為不連續(xù)階梯狀，離散時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)只能根據(jù)采樣周期的重積分部分的采樣值來近似計(jì)算。第四章室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第四章室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第五章室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的仿真第五章室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的仿真第五章室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的仿真5.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)的確定1、房間模型根據(jù)上一章房間特性的參數(shù)，我們可以得到房間模型的傳遞函數(shù)為：G令：T1為空調(diào)房間的時(shí)間常數(shù)，TK1為空調(diào)房間的放大系數(shù)，Kτ為房間送風(fēng)的傳遞滯后時(shí)間，τ=60s。2、加熱器模型從上一章可以看出，控制系統(tǒng)的加熱器部分不僅僅是傳遞函數(shù)。加熱器輸出（傳送空氣溫度）主要受兩個(gè)主要因素限制，即加熱器傳送室內(nèi)溫度和室內(nèi)傳出溫度。第一個(gè)具有控制作用，第二個(gè)具有干擾作用（這里叫做空氣干擾反饋），由此得到送風(fēng)溫度對(duì)空氣干擾的制熱量和回風(fēng)能力的傳遞函數(shù):T3、執(zhí)行器模型根據(jù)上一章對(duì)執(zhí)行器模型的整定，我們可以得出結(jié)論，執(zhí)行器環(huán)節(jié)是比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)為K34、溫度傳感器模型我們?cè)谠O(shè)計(jì)溫度傳感器模型時(shí)，將它看作成一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為G5、控制器的模型我們?cè)谠O(shè)計(jì)控制器時(shí)選用的是離散PID控制算法，為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，設(shè)Ki=KU對(duì)上述公式進(jìn)行Z變換，得G5.2PID參數(shù)的整定本文采用擴(kuò)充臨界比例度法對(duì)系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行整定，在系統(tǒng)中加入內(nèi)部隨機(jī)熱擾動(dòng)，模擬氣流擾動(dòng)，這樣可以改變室內(nèi)溫度，而室內(nèi)溫度的變化范圍在±0.7℃左右。5.2.1搜尋臨界比例度和臨界振蕩周期為了求系統(tǒng)的臨界比例，只要求PID控制器的比例環(huán)節(jié)起作用，即比例系數(shù)為P，而積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)不起作用，這兩個(gè)環(huán)節(jié)的系數(shù)為0。取樣時(shí)間取空間純度的1/10（60秒），即t=6秒。通過仿真發(fā)現(xiàn)比例系數(shù)（比例度倒數(shù)）和純比例系數(shù)時(shí)系統(tǒng)的曲線圖不同，確定了比例系數(shù)，如果系統(tǒng)具有恒幅振蕩（臨界振蕩），首先在0和1之間以0.1間距進(jìn)行仿真，而且我們?cè)诿畲翱趍atlab中輸入以下命令：T=6;[t,x,y]=sim('caiyangcontrol');subplot(2,5,p/0.1+1);plot(t,y);title(['p=',num2str(p)]);end;運(yùn)行以上程序，得到結(jié)果如圖5-1所示。從圖中可以看出，當(dāng)P=0.6時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)曲線呈下降振蕩，當(dāng)P=0.7時(shí)，系統(tǒng)開始振蕩，這種振蕩一直持續(xù)。動(dòng)態(tài)曲線開始慢慢原理穩(wěn)定值，保持上升趨勢(shì)。因此，可以得出結(jié)論，室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的臨界振蕩點(diǎn)應(yīng)該在P=0.6到0.7之間。圖5-1P在0～1之間取值時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)曲線于是我們縮小范圍，在P＝0.6到0.69之間，以0.01為間距繼續(xù)進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)程序如下：T=6；forp=0.6:0.01:0.69；[t,x,y]=sim('caiyangcontrol')；subplot(2,5,(p-0.6)/0.01+1)；plot(t,y)；title(['p=',num2str(p)])；end；通過上述程序，我們可以得到如圖5-2所示的結(jié)果。圖5-2P在0.65～0.69之間取值時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)曲線有圖可知，室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)在P=0.65內(nèi)以相同的振幅振蕩。由此得出結(jié)論，系統(tǒng)在P=0.65左右處于穩(wěn)定的臨界振蕩狀態(tài)，使比例臨界水平δk于是我們?cè)诓蓸又芷赥=6s，P=0.65的情況下，我們對(duì)溫控系統(tǒng)又做了仿真處理。在臨界振蕩周期范圍內(nèi)，得出結(jié)果如圖5-3所示。由圖可知臨界振蕩周期Tk圖5-3T＝6秒，P＝0.65的系統(tǒng)臨界振蕩動(dòng)態(tài)曲線5.2.2求實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制度為了求出系統(tǒng)的控制度，我們分別對(duì)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)分別進(jìn)行仿真。對(duì)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行仿真后，按照如下程序得出最終值。>>yout(85,2)ans=8.4602e+009對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行仿真后，按照如下程序得出最終值。>>yout(107,2)ans=1.0244e+010于是得到系統(tǒng)的控制度為：[5.2.3計(jì)算PID參數(shù)我們采用PID控制時(shí)系統(tǒng)調(diào)整參數(shù)的取值，并對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了仿真研究。通過查表可知，當(dāng)控制度為1.2時(shí)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)如下：T=0.043TKpTiTd5.2.4系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能分析為了分析PID控制配置下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，將PID參數(shù)的配置值替換在Simulink模式中進(jìn)行仿真。我們?cè)O(shè)定時(shí)間為1小時(shí)，起始溫度設(shè)定為17℃；。當(dāng)時(shí)間達(dá)到27.5分鐘，即1650秒時(shí)，系統(tǒng)溫度的調(diào)整值增加到18℃，當(dāng)信號(hào)加到初始設(shè)定值時(shí)，設(shè)定值增加1'℃；。模擬結(jié)果如圖5-4所示。圖5-4PID控制的系統(tǒng)仿真曲線我們根據(jù)仿真圖，可以發(fā)現(xiàn)1650秒單位階躍信號(hào)輸入后，約100秒后環(huán)境溫度開始升高，約400秒達(dá)到18℃，控制精度在±0.5℃，最大階躍值僅比最終值17℃最后值0.4度，超調(diào)量σ%=(17.4?17)/17=2%，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，室內(nèi)溫度的變化也接近穩(wěn)定，誤差在±0.1℃左右，這表明室內(nèi)溫度已經(jīng)達(dá)到了17±0.5℃的控制精度，通過圖中可以看出系統(tǒng)響應(yīng)很快。第六章總結(jié)致謝第六章總結(jié)針對(duì)基于MATLAB的室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)這一主題，本文主要對(duì)溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的探討，并總結(jié)了以下幾點(diǎn)：（1）本文以控制理論為重點(diǎn)，深刻體驗(yàn)到MATLAB矩陣強(qiáng)大的運(yùn)算功能和圖形用戶界面Simulink為控制系統(tǒng)的建模和研究帶來了極大的便利，MATLAB不僅可以分析控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，而且可以對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行分析，包括內(nèi)部恒溫系統(tǒng)、系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)的優(yōu)化，還使用Simulink提供的圖形處理功能，通過實(shí)時(shí)仿真直接就能顯示示波器窗口中控制的動(dòng)態(tài)對(duì)象曲線，與傳統(tǒng)的研究方法相比較，這種計(jì)算機(jī)輔助方法不要較多的控制理論，極大簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析過程。（2）本文還闡述了PID控制、模糊控制和模糊PID控制。通過研究發(fā)現(xiàn)，雖然PID控制對(duì)過程對(duì)象的整體控制能取得較好的效果，但因?yàn)樗且环N基于精確的被控對(duì)象特性的控制算法，我們不確定被控對(duì)象的控制有很多困難，但主要是控制參數(shù)的配置，根據(jù)仿真溫控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可以看出，對(duì)于同一個(gè)研究對(duì)象，假如控制參數(shù)選擇不當(dāng)，是沒辦法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的控制精度。如果被控對(duì)象的參數(shù)發(fā)生變化，控制精度會(huì)降低，因此PID算法的應(yīng)用非常有限，因此有必要引入先進(jìn)的控制算法和PID來達(dá)到預(yù)期的效果。（3）最后，對(duì)整個(gè)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了在線調(diào)試并進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)仿真，結(jié)果表明，得出的溫控系統(tǒng)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較大的部分是建立的模型和實(shí)際的差距。比如固態(tài)光繼電器自身就是一個(gè)非線性環(huán)節(jié)，但在模擬仿真中，它被簡(jiǎn)化為一個(gè)連續(xù)且能夠調(diào)解的線性環(huán)節(jié)，因此您的輸出與實(shí)際輸出不同，但實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果說明這種方法還是比較準(zhǔn)確的?？傊?，Matlab在控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)是非常有用的。其強(qiáng)大的功能為我們?cè)O(shè)計(jì)室內(nèi)溫制系統(tǒng)的仿真提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，是設(shè)計(jì)建模控制系統(tǒng)的有效向?qū)?。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]孟慶明.自動(dòng)控制原理第二版[M].北京：高等教育出版社，2008.6[2]陳輝，邵林.基于MATLAB的數(shù)字PID控制器仿真[J].連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院報(bào)，2004[3]王沫然.MATLAB與科學(xué)計(jì)算[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003[4]薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.7[5]金以慧，方崇智.過程控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，1993[6]黃瓊香.MATLAB作圖函數(shù)的總結(jié)與分析[J].高等理科教育，2005[7]王述彥，師宇，馮忠緒.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2011,01:166-172.[8]李少遠(yuǎn)，王景成.智能控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.1[9]屠乃威，付華，閻馨.參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].遼寧工程技術(shù)大學(xué)[10]耿瑞.基于MATLAB的自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真[J].哈爾濱，息技術(shù)學(xué)報(bào)，2006第1期[11]劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003[12]FurutaKetal.Computer-aidedDesignProgramforLinearControlSystem[J],ProceedingsIFACSymposiumonCACSD.Zurich,Switzerland,1979.267-272[13]ArmstrongES.ORACLS-ADesignSystemforLinearMultivariableControl[J].NewYork:MarcelDekkerInc.,1980[14]AstromKJ.ComputerAidedToolForControlSystemDesign.In[J]:JamshidiM,HergetCJ.Computer-ai