基于matlab的恒温箱温度控制系统设计与仿真毕业论文(编辑修改稿)

基于matlab的恒温箱温度控制系统设计与仿真毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

9 控制及仿真 PID控制器由于具有结构简单，容易实现，控制精度高等优点，广泛应用于工业控制过程中。 而工业控制过程本身由于机理复杂，时变，时滞等原因，其精确地数学模型很难得到，一些高阶对象通过降阶，一般用一阶或二阶惯性环节加纯延迟来近似。 但是在一个具有纯滞后的系统中，采用常规的PID控制时，存在的主要缺点是动态响应指标较差 [9]。 系统承受扰动后，往往会出现明显的超调，且调节时间也较长，然而在有些场合，大的超调是不允许的 ，因此在 PID控制的基础上，提出了微分先行 PID控制算法。 微分先行 PID 算法 [10] 微分先行 PID控制的结构图如图 1所示，其特点是对输出量进行微分，而对给定值不作微分。 这样 ,在改变给定值时，输出不会改变，而被控量的变化通常是比较缓和的。 这种输出量先行微分控制适用于给定值频繁提降的场合，可以避免给定值升降所引起的系统振荡，从而明显地改善系统的动态特性。 图 1 微分先行 PID控制结构图 如图所示，微分部分的传递函数为：sTsTsy su ddd 1)( )( ，则 ydtdyTudtduT dddd  ， R（ s） Y（ s） ）（ sT11k ip  Y（ s） —— + sT1 dd 10 由差分得 T kukudtdu ddd )1()(  ， T kykydtdy )1()(  )()1()()()1()(.10 kyT kykyTkuT kukuT ddddd  )1()()1( )(     kyTTTkyTT TTkuTT Tkudddddddd )1()()1()( 321  kyckyckucku dd 其中   TT Tcd ，   TT TTcd ，  ddd TTTc 参数辨识 本文采用时域测定法确定被控系统的参数，时域测定的主要过程是对被测控制系统或对象在输入端施加阶跃扰动输入信号，而在输出端测绘其输出量随时间变 化的响应曲线；或者施加脉冲输入，测绘输出的脉冲响应，再对响应曲线的结果进行分析，确定被研究对象的传递函数。 时域测定法所采用的测试设备简单，测试工作量小，因而应用广泛。 采用时域法确定被测系统或对象的数学模型时，需要在被测对象上人为地施加阶跃输入信号，然后测定被测对象的输出响应曲线，从而求出其传递函数 [8]。 在本文中，采用二阶惯性加纯滞后环节近似恒温箱的温度控制系统，即温度控制系统的传递函数为：)1)(1()( 21 sTsT KesGs。 对温度控制系统传递函数的参 数进行辨识，得到 k=5,1T =8, 2T 1,  10。 则被控系统的传递函数为：198 5)1)18( 5)( 21010ss ess esGss（。 参数的整定 11 PID参数的整定，主要是确定 pk 、 iT 和 dT ,对一个结构和控制算式的形式已定的控制系统，控制质量的好坏主要取决于选择的参数是否合理。 在本文中采用 ZN经验公式法对 PID控制器的参数进行整定。 参数的特点 在 PID控制中 pk 、 iT 、 dT 具有以下特点 : （ 1)比例增益 pk 增大，可以加快响应速度 ， 减小系统稳态误差 ， 提高控制精度，但是过大会使系统产生超调，甚至导致不稳定； （ 2)积分作用主要是消除系统静态误差，加强积分作用 ， 有利于减小系统静差 ， 但是 iT 过大 ， 会加大超调 ， 甚至引起振荡； （ 3)微分作用可以改善动态性能，增大微分增益 dT ， 有利于加快系统响应，使系统超调量减小，稳定性增加 ， 但对扰动敏感 ， 抑制外扰能力减弱；若 dT 过大 ， 会使调节过程出现超调减速 ， 调节时间增长；反之 ， 若 dT 过小 ，系统响应变慢 ， 稳定性变差。 经验公式法 对于一个经典的 PID控制器，其传递函数为 )11()( sTsTksC dip ，对于二阶惯性加纯滞后环节)1)(1()( 21 sTsT KesGs，经验公式为21TTkkp ， 2iT ，dT [11]。 由上述公式可得： pk =,iT =10， dT =。 算法仿真 通过上文的分析，确定了系统的参数，在 MATLAB环境下，建立 Simulink仿真框图，对控制系统进行仿真并检测控制效果。 12 13 14 制及仿真 恒温箱的温度控制系统是一个时滞系统，数学模型很难确立，采用经典控制理论对系统进行控制比较困难。 而模糊控制的最大优点就是不依赖于被控对象的精确数学模型，是将人的控制经验进行总结，借助于模糊数学工具，通过模糊推理来实现对恒温箱的温度控制。 模糊控制属于智能控制，适用于非线性、时变、时滞系统，同时模糊控制器结构简单，参数整定方便，因此它成为目前智能控制中一种重要的方式 [12]。 模糊控制基本原理 [13] 模糊控制基本思想 模糊控制的基本思想是把专家对特定的控制对象或控制过程的控制策略总结为 以“ IFTHEN”表达式形式表示的控制规则，通过模糊推理得到控制集，作用于被控对象。 模糊控制器的基本结构 模 糊 化 模 糊 推 理规 则 库清 晰 化输 入 输 出 图 2 模糊控制器基本结构 选择模糊控制器的结构，就是确定模糊控制器的输入变量和输出变量。 一般选取误差信号 E（或 e）和误差变化信号 EC（或 ec）作为模糊控制器的输入变量，而把受控变量的变化 y 作为输出变量。 通常模糊控制器的基本结构如图 2 所示： 15 如图所示，模糊控制器 主要由模糊化、知识库、模糊推理、清晰化四部分组成，各部分的作用概述如 下： 模糊化的作用是将输入的精确量转换成模糊化量。 其中输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态等。 模糊化的具体过程如下： （ 1） 首先对这些输入量进行处理，以变成模糊控制器要求的输入量； （ 2） 将上述已经处理过的输入量进行转换，使其变换到各自的论域范围； （ 3） 将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量，并用相应的模糊集合来表示。 知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。 它通常有数据库和模糊控制规则库两部分组成。 （ 1） 数据库主要包括各语言变量的隶属度函数，尺度变换因子及模糊空间的分级数等； （ 2） 规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则。 它们反应了控制专家的经验和知识； 模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。 该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及模糊推理规则来进行的。 清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量变换为实际用于控制的清晰 16 量。 它包含以下两部分内容： （ 1） 将模糊的控制量经清晰化变换，变成表示在论域范围的清晰量； （ 2） 将表示在论域范围的清晰量经尺度变换成实际的控制量。 模糊控制的特点 模糊控制与经典控制相比，具有以下的优点： （ 1） 模糊控制不需要精确的数学模型，是解决不确定性系统控制的一种有效途径。 （ 2） 模糊控制是一种非线性控制，适用于范围很广，适宜于非线性系统的控制。 （ 3）模糊控制具有较强的鲁棒性，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，可用于有时变、非线性等特性的复杂系统的控制。 （ 4）模糊控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑，由工业过程的定性过程出发，较易建立语言变量控制规则。 （ 5）模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控 制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。 同时模糊控制还具有如下的缺陷： （ 1） 模糊控制对比较复杂的不确定性系统进行控制时往往精度较低，总结控制规则过分依赖现场操作，调试时间长。 （ 2） 模糊控制过多的依赖控制经验，由。