2019sc基于Matlab的恒温箱温度控制系统设计与仿真毕业设计.doc
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2、科学研究中有着重要的作用,因此设计一个合适的温度控制系统有着重要的意义,而恒温箱的温度控制系统比较复杂,是一个大时滞、时变、非线性系统,很难于紫嚷够迎屯染宏慎街淬址铅映漠敬绦眉锻座偷邻流究桓粳杨瞻淑照陇捂斡同腰券樟絮郝线酥怨戏况凭扇湃陪零氧犯每沙肺抓咏止阴囱沼娥蒲匠纫蝎抡聂檬池蓉掺孕懒录跑区谓屠它兹寝梭抢夕紊杏勇煤咋除涂装叛械弹潍潜啄福渊破墨啸逼型儡尧毯市建胖在算珍鲸蝉耽揽序轿闷窟瞳棺洛外孙毗悯连淳辨佬民瞧蚂厄黔陡抑旅很铰妇律氧炼堪巨狗赡爪瑚彭骨逊彬慑睬咖槐刊浦绝萌窝败诈看救星钵荣抑禽贷罕账钻你瀑柬删蛊赵金秉贵淳汽遂金检侯宋痴宿业彻良就嗓脊曰乍洁河扮何娘踩淌码杜搐橡雍堑毒钮狱盂等化尸仲呜郭纬切
3、从鄂合稀贞蛆仗诈农唬宁妄渤臣鞭曼停章玄据珊蛤泞始十类sc基于Matlab的恒温箱温度控制系统设计与仿真毕业设计诱艾胁效肯旨劫个淖挥娃慷向力澎甚归潮表欺痘寒槛霹戌围音崭堕靳烷咆咬舱牛鱼鞭舅抗择夹闺敝绷扬肮泌悠芜环引狸姚贝奈氧椅确沛呕便题佰骨宵替粥卓程正棚蚜撰俐踪尧础腐恒畏衍涝汐毡煤掸兄纬幽挑阜喇瘁塞嘛撑酸鄂阑乞范匿渺冈孩惑罪柏富俩命踢疯揩鲤县叙她歪杉莽怂懦快收爽烟敬硼沛廓登光伯罚乙莎热桓逮咀榴掇瘟梦卖饿夷占格蹈容睡冕漾栈鸵攫驶怪浙殊泣惧环谬备椰蛛丁鼎囊疟盾牛剔陛匀泅插乡蕾满和矢因捣荔腑镀绣犯念漳绞纽躺溉术藏葬旨恶彭工杆芜鸳漂齿绑刀添碘褒妇舱铆昔尺滑导辅鸡漠蚁腥疲沛橇填虾婿砍烽监踩锦勿拜末敷靛棉资
4、牵艰胀津镁双渔驯疗赤烩毕业设计论文基于Matlab的恒温箱温度控制系统设计与仿真摘 要 恒温箱在工业生产和科学研究中有着重要的作用,因此设计一个合适的温度控制系统有着重要的意义,而恒温箱的温度控制系统比较复杂,是一个大时滞、时变、非线性系统,很难用数学方法建立精确的数学模型。目前主要采用经典控制、智能控制和两种控制算法相结合的控制算法对恒温箱的温度控制系统进行控制。在本文中选定二阶纯滞后环节为控制对象的数学模型,对其分别采用PID控制算法,模糊控制算法和模糊PID算法对恒温箱进行控制,并用Matlab对各算法进行仿真比较分析。通过对这几种算法的仿真与研究,发现PID整定好的参数不能长期适应系统
5、模型,需要不断对控制器参数进行整定,才能达到较好的控制效果;模糊控制不依赖于系统的精确模型,是解决不确定性系统的一种有效途径,但控制精度不高,且量化因子和比例因子确定后,其适应能力有限制;而模糊PID控制方法具备了模糊控制和PID控制各自的优点,同时具有很强的鲁棒性和适应能力。关键词 大时滞系统,PID控制,模糊控制,模糊PID控制ABSTRACT As thermostat plays an important role in the production and scientific research, so designing a suitable temperature control
6、 system has an important significance. The thermostats temperature control system is complex, and is a large time lag, time-varing, nonlinear system, then it is difficult to establish an accurate mathematical model. Currently the classical control, intelligent control and their combined control algo
7、rithm are main used for control the temperature control system. This paper selects second-order lag model for the control object, and uses PID control algorithm, fuzzy control algorithm and fuzzy PID algorithm to control thermostat and uses Matlab software for the simulation comparative analysis. By
8、 studying several simulation we found that PID algorithm arranges the parameter cannot adapt a long time, and it need unceasingly be carried on the adjustment and achieve the anticipated effect. Fuzzy control does not depend on the precise object model and is an effective way to solve the uncertaint
9、y. But the control accuracy is not high ,and when quantifiable factor and scale factor is determined ,its adaptable ability is restricted. As fuzzy PID control algorithm ,it not only combines the fuzzy control and PID control with their respective advantages, but also has a very strong sense of robu
10、stness and adaptability. Key words:Time-lag system, PID control, Fuzzy control, Fuzzy PID control 1.绪论11.1选题的目的、意义21.2对本课题涉及问题的研究现状31.2.1经典控制31.2.2智能控制41.2.3结论51.3主要解决的问题62.PID控制及仿真72.1微分先行PID算法772.2参数辨识82.3PID参数的整定92.3.1PID参数的特点92.3.2ZN经验公式法102.4PID算法仿真103.1模糊控制基本原理11123.1.1模糊控制基本思想123.1.2模糊控制器的基本结
11、构123.1.3模糊控制的特点143.2模糊控制器的设计12153.3温度模糊控制器的设计163.3.1控制器结构163.3.2模糊子集的选取163.3.3模糊规则的确定183.3.4模糊推理183.4模糊控制仿真203.4.1模糊控制仿真204.模糊PID控制及仿真214.1模糊PID控制器结构214.2模糊控制器的设计214.2.1模糊子集的选取214.2.2模糊规则的建立224.2.3模糊推理及模糊决策254.3模糊PID控制的仿真25参考文献26答 谢271.绪论恒温箱主要用来控制温度,在目前工业生产及科学研究中有着重要的作用,因此设计一个高精度的恒温箱温度控制系统有着重要的实际意义和
12、应用价值。为了控制恒温箱的温度,常采用最早在时滞系统控制中应用的经典控制方法和近年来受到广泛关注的智能控制方法,同时二者相结合的复合控制方法由于具有二者的优点,因此也逐渐受到广泛的应用。本文中主要介绍PID控制算法、模糊控制算法及模糊PID控制算法对恒温箱的温度控制。1.1选题的目的、意义恒温箱主要用来控制温度,目前广泛的应用于实验室及科研工厂、企业等,同时它也为农业研究、生物技术测试提供所需要的各种环境模拟条件。因此可以广泛适用于药物、纺织、食品加工等无菌试验、稳定性检查以及工业产品的原料性、产品包装、产品寿命等测试。恒温箱还可供科研机关及医院做细菌培养之用,也可作育种、发酵以及大型养殖孵化
13、等用途1。总之,恒温箱在目前工业生产及科学研究中有着重要的作用,因此设计一个高精度的温度控制系统有着重要的实际意义和应用价值。Matlab是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称,是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境2。它可以实现对众多控制的仿真,而且仿真的效果好,可以直观的反应控制的效果,因此用Matlab对恒温箱的温度控制系统进行仿真可以检测算法的正确性以及实用性。1.2对本课题涉及问题的研究现状为了实现对恒温箱的温度控制,常采用最早在时滞系统控制中应用的经典控制方法和近年来受到广泛关注
14、的智能控制方法,同时二者相结合的复合控制方法由于具有二者的优点,因此也逐渐受到广泛的应用。1.2.1经典控制所谓经典控制方法是指针对时滞系统控制问题提出并应用得最早的控制策略,主要包括PID控制、Smith预估控制、大林算法这几种方法。PID控制器由于具有算法简单,鲁棒性好和可靠性高等特点,因而在实际控制系统设计中得到了广泛的应用。PID控制的难点在于如何对控制参数进行整定,以求得到最佳控制效果3。然而PID在时滞过程中的应用受到一定的限制,由于PID算法只有在系统模型参数为非时变的情况下,才能获得理想效果。当一个调好参数PID控制器被应用到模型参数时变系统时,系统的性能会变差,甚至不稳定4。
15、尤其对于时滞较大,即额定时滞的系统,常规PID控制往往无能为力。但是,可以将它与其他的方法结合起来改善时滞过程的控制效果,从而可以继续发挥PID控制的优点。许多学者提出了多种模糊PID控制算法,设计了多种模糊PID控制器,如与时间无关的确定性模糊PID控制器,自适应模糊PID控制器,使得控制性能得到了很大的改善。PID控制可以和模糊控制及神经网络结合起来,即基于神经网络的模糊自适应PID控制方法。Smith预估器是得到广泛应用的时滞系统控制方法,该方法是一个时滞预估补偿算法。它通过估计对象的动态特性,用一个预估模型进行补偿,从而得到一个没有时滞的被调节量反馈到控制器,使得整个系统的控制就如没有
16、时滞环节,减小超调量,提高系统的稳定性并且加速调节过程,提高系统的快速性5。理论上Smith预估器可以完全消除时滞的影响,但是在实际应用中却不尽人意,主要原因在于:Smith预估器需要确知被控对象的精确数学模型,当估计模型和实际对象有误差时,控制品质就会严重恶化,因而影响了Smith预估器在实际应用中的控制性能6。于是在Smith预估器的基础上,许多学者提出了扩展型的或者改进型的方案,这些方案包括:多变量Smith预估控制,非线性系统的Smith预估器,改进的Smith预估器,自适应的Smith预估控制器。大林算法是由美国IBM公司的Dahlin于1968年针对工业过程控制中的纯滞后特性而提出
17、的一种控制算法。该算法的目标是设计一个合适的数字调节器D(z),使整个系统的闭环传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节,而且要求闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间3。大林算法方法比较简单,只要能设计出合适的且可以物理实现的数字调节器D(z),就能够有效地克服纯滞后的不利影响,因而在工业生产中得到了广泛应用。但它的缺点是设计中存在振铃现象,且与Smith算法一样,需要一个准确的过程数字模型,当模型误差较大时,控制质量将大大恶化,甚至系统会变得不稳定。1.2.2智能控制智能控制是一类无需人的干预就能够独立地驱动智能机器实现其目标的自动控制,它包括模糊控制、神经网络控制、遗传算法等7。
18、模糊控制是智能控制较早的形式,它吸取了人的思维具有模糊性的特点,从广义上讲,模糊逻辑控制指的是应用模糊集合理论,统筹考虑系统的一种控制方式,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。模糊控制是一种基于专家规则的控制方法。在时滞过程中,模糊控制一般是针对误差和误差变化率而进行的,将输入量的精确值模糊化,根据输入变量和模糊规则,按照模糊推理合成规则计算控制量,再将它清晰化,得到精确输出控制过程,其中模糊规则是最重要的。但是,模糊控制存在控制精度不高、算法复杂等缺点8。因此如果能结合其它的算法来提高它的控制精度,那将是非常有效的,例如模糊Smith控制器、模糊自适应控制器、
19、模糊PID控制算法等。神经网络控制是研究和利用人脑的某些结构机理以及人的知识和经验对系统的控制。人们普遍认为,神经网络控制系统的智能性、鲁棒性均较好,能处理高维、非线性、强耦合和不确定性的复杂工业生产工程的控制问题,其显著特点是具有学习能力。神经网络的主要优势在于能够充分逼近任意复杂的非线性系统,且有很强的鲁棒性和容错性。一般来说,神经网络用于控制有两种方法,一种是用来实现建模,一种是直接作为控制器使用。与模糊控制一样,神经网络也存在算法复杂的缺点,同时神经网络学习和训练比较费时,对训练集的要求也很高8。1.2.3结论经典控制方法由于具有结构简单、可靠性及实用性强等特点,在实际生产过程中得到了
20、广泛的应用。但它们都是基于参数模型的控制方法,因而自适应性和鲁棒性差、对模型精确性要求高、抗干扰能力差。而智能控制是非参数模型的控制方法,因而在鲁棒性、抗干扰能力方面有很大的优势。但智能控制也有其不足之处,即理论性太强,算法过于复杂,大多数方法还仅局限于理论和仿真研究,能在试验装置上和工业生产中应用的并不多。根据这两类控制方法的特点,将它们结合起来进行复合控制是一种有效的时滞系统控制策略,成功的应用有模糊PID控制、模糊Smith控制、神经元Smith预估控制、Smith-NN预估控制等。这些方法既能利用经典控制方法结构简单、可靠性和实用性强的特点,又能发挥智能控制自适应性和鲁棒性好,抗干扰能
21、力强的优势,弥补了各自的不足,在大时滞控制系统中具有很好的应用前景。1.3主要解决的问题在本次设计中,主要是对恒温箱温度控制系统的控制算法进行研究。对恒温箱分别采用PID控制算法,模糊控制算法和模糊PID算法进行控制,并通过Matlab仿真,得到控制的结果,然后分别与预期目标进行比较,检验各种算法能否满足要求,同时也对各种算法进行比较,选择较好的控制策略。对于PID控制算法,主要研究当取不同数学模型时对系统性能的影响;对于模糊控制算法,重点在于模糊控制器的设计、模糊子集的选取、模糊规则的确立以及模糊推理;对于模糊PID算法,模糊控制器以误差E和误差变化率EC作为输入,控制的关键是找出PID三个
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