房間溫度控制系統(tǒng)與Simulink仿真【優(yōu)秀畢業(yè)課程設計】

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摘  要

隨著科學技術的不斷進步,溫度控制系統(tǒng)中常用的是控制參數,而利用MATLAB控制這些參數已成為當今主流。在PID控制器的設計中,隨著計算機技術的飛速發(fā)展,參數整定是最重要的,PID的設置大多是基于一些先進的軟件。MATLAB仿真軟件廣泛應用于本設計中的繼電反饋法、在線綜合法和系統(tǒng)辨識法來研究PID控制器的設計方法,并使PID控制器的溫度控制系統(tǒng),并在MATLAB中使用虛擬示波器,在系統(tǒng)完善之前,觀察階躍信號的輸出波形,得到干擾信號響應曲線的抗干擾性,經過對比得出了,在有了干擾信號時,該系統(tǒng)可以很好地控制系統(tǒng)的干擾信號,將干擾信號引入系統(tǒng)中是十分必要和可行的。

關鍵詞:PID控制；溫度控制系統(tǒng)；MATLAB

ABSTRACT

With the continuous progress of science and technology, control parameter is commonly used in the temperature control system. And using the MATLAB to control those parameters has become the mainstream. In the design of PID controller, with the rapid development of computer technology parameter tuning is the most important thing. The PID Settings are mostly based on some advanced software. MATLAB simulation software is widely applied to the relay feedback method, Online variety legal and system identification in this design to study the design method of PID controller. And using the PID controller's temperature to control system, use a virtual oscilloscope in MATLAB. Before the system is perfected, observing the output waveform of the step signal and obtaining the interference of the signal response curve. By contrast, when there is an interference signal, the system can control the system's interference signal very well. It is necessary and feasible to introduce interference signals into the system.

Key words: PID parameter tuning;  controller;  MATLAB

目  錄

1 緒論 1

1.1 選題的目的、意義 1

1.2 對本課題涉及問題的研究現(xiàn)狀 1

1.2.1 經典控制 1

1.2.2 智能控制 2

1.2.3 結論 3

1.3 主要解決的問題 3

    1.4 MATLAB簡介 3

2 數學模型的建立 4

2.1 什么是數學模型 4

2.2 模型的建立要求 5

2.3 模型的種類 5

2.4 數學模型的基本原則 6

2.5 建立數學模型的方法步驟 6

2.6 房間數字模型的建立 8

       2.6.1 單一外墻、內墻、樓板、樓地的熱平衡方程 9

       2.6.2 窗戶的熱平衡方程 9

       2.6.3 房間空氣的熱平衡方程 10

3 Simulink的仿真研究 11

    3.1Matlab/Simulink環(huán)境下建立房間的動態(tài)仿真模型 11

    3.2房間Simulink仿真模型的結構 11

    3.3房間模型的動態(tài)特性仿真 14

    3.4溫度控制與PID算法 15

參考文獻 21

總 結 22

致謝 23

2017年畢業(yè)論文答辯 學號： 20132008008 指導老師：陳立新 答辯人：黃振興 完成步驟 1 研究背景及意義 2 設計任務及 關鍵問題 4 仿真結果分析 房間溫度控制系統(tǒng)與 3 數學模型的建立 5 存在的問題 6 總結 01 02 03 選題的目的和意義 房間的溫度改變由于干擾成分多、相關數據的多樣性 ,很難建立精確的數學模型。在本文中 ,房間溫度的仿真模型 ,按照現(xiàn)實經驗及數學依據 ,通過 設計了一種房間溫度控制器。為進一步驗證該控制器的工作成果 ,按照變頻空調制冷和房間溫度變化的特點 ,建立了房間溫度的變化通過變頻空調和傳遞函數的變頻空調制冷控制仿真模型。 對本課題涉及問題的研究現(xiàn)狀 為了實現(xiàn)對房間的溫度控制 ,發(fā)現(xiàn)了 傳統(tǒng) 的控制方法在時滯系統(tǒng)控制中的應用 更為廣泛，傳統(tǒng)控制方法 ,提出了時滯系統(tǒng)的控制問題 ,并應用到最早的控制策略中 ,包括 米斯預測控制、大林算法。 傳統(tǒng)的控制方法具有結構簡單、可靠性高、實用性強等優(yōu)點 ,在實際生產過程中得到了廣泛的應用。但它們都是基于參數模型的控制方法 ,具有自適應性和魯棒性 ,模型精度高 ,抗干擾能力差等特點。 1 研究背景及意義 研究背景 溫度是生產過程和科學實驗中非常重要的物理參數。在工業(yè)生產過程中 ,為了有效地進行生產 ,對生產過程中的主要參數 ,采取精細控制 ,如溫度、壓力、流量、速度 ,溫度控制在生產過程中占有很大比例。準確測量和有效控制溫度是高質量、高產量、低消耗 ,安全生產的重要條件。 2 設計任務及關鍵問題 1）通過對房間溫度控制系統(tǒng)分析建立合適的數學模型； 2）利用 3）編寫完成整機設計計算說明 關鍵問題：房間是一個復雜的熱力學模型 ,受多種因素的影響 ,如內外因素。因此 ,在近幾年想要建立一個精確的數學模型非常困難 ,許多學者對此進行了研究 ,簡化了許多在空調房間變風量空調系統(tǒng)數學模型。所以利用學者對房間溫度數學模型的研究設計出了一個簡單的房間溫度控制系統(tǒng)。 效率高 ,易于做科學計算和過程計算的交互式軟件包 。 包括 :通用數據分析 、 矩陣運算 、 數字信號處理 、 系統(tǒng)控制和應用建模優(yōu)化 ,并應用基于集成環(huán)境的使用簡單的圖形 ,在這種環(huán)境下 ,丌需要按照傳統(tǒng)的方法 ,可以有效地規(guī)劃計算和創(chuàng)意 ,是提供不其它高級語言的接口是一個重要的工具 ,為科學研究和工程中的應用提供了良好的環(huán)境 。 它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模 、 仿真和綜合分析的集成環(huán)境 。 在該環(huán)境中 ， 無需大量書寫程序 ， 而只需要通過簡單直觀的鼠標操作 ， 就可構造出復雜的系統(tǒng) 。 結構和流程清晰及仿真精細 、 貼近實際 、 效率高 、 靈活等優(yōu)點 ， 并基于以上優(yōu)點 同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于 3 數學模型的建立 建模對象的選定 以某小區(qū)空調系統(tǒng)試驗室空調室 1為建模對象 ,對其結構尺寸 ,方位如圖所示，高 房間模型建立的基本方法：狀態(tài)空間法。整個房間是一個復雜的熱力系統(tǒng) ,想用數學模型來描述幾乎是丌可能的 ,因此 ,第一是建立數學模型如下 :1)簡化房間的墻上 ,每一個對象的各個環(huán)節(jié) ;2）忽略房間內部各物體的蓄熱量； 3)忽略房間內部氣體的流動； 4)設房間內部溫度為分布參數。 墻體等維護結構的動態(tài)傳熱模型 窗的動態(tài)傳熱模型 房間的 房間的 初始條件下房間溫度變化曲線 房間動態(tài)特性仿真的初始條件：房間初始溫度為 26℃ ，室外氣綜合溫度為 30℃ ，鄰室溫度為 26℃ ，照明得熱量為 100W，人體顯熱得熱量為 300W,設備顯熱得熱量為300W，太陽散射輻射量為 0，送風溫度為 16℃ ，送風量為 0。 4 仿真結果分析 房間模型的動態(tài)特性仿真結果 房間溫度在初始條件下達到穩(wěn)定后，通過改變某種輸入信號，而保持其他輸入信號的恒定，進行房間模型的動態(tài)特性仿真，擾量主要有室外空氣綜合溫度、鄰室溫度、照明得熱量、人體顯熱得熱量、設備顯熱得熱量，送風量和送風溫度。 由表可知，空調系統(tǒng)送風量和送風溫度發(fā)生階躍變化時的時間常數較小；室外空氣綜合溫度發(fā)生階躍變化時的時間常數較大。 5 存在的問題 房間是一個復雜的熱力學模型，受多種因素的影響，且外界的各種干擾因素都是動態(tài)變化的，這對環(huán)境變化采集信息要求非常嚴格，在時刻變化的環(huán)境中，房間內的溫度會受到多大程度的影響并沒有準確的結論。 6 總結 本文介紹了溫度控制的意義、 數學模型的建立，到建立一個數學模型。并搭建了房間溫度控制的數學模型在 斷因素對房間溫度的影響。為了完成這篇論文，在網上不圖書館查詢了大量的資料，了解了國內外對溫度控制方面的各種研究和得出的成果，通過細致的學習，懂得了溫度控制方面的各種知識，充實的自己的知識面，也使自己大學中學到的知識有了更為深刻的了解，達到了學以致用的效果。 謝謝您的觀看，歡迎指導 答辯人：黃振興