基于Smith-Fuzzy-PID控制策略的TL环节控制系統的研究与应用

摘要

时滞环节(Time-lag，下文中简称 TL 环节)在当今工业产业领域普遍存在，例如航天、炼油、制造等产业领域。这些产业领域中的生产控制过程中通常具备控制系统结构复杂、参数具有时变性，控制过程中存在时滞现象等问题。复杂的非线性性质的 TL 环节过程是工业控制过程中一项具有挑战性的任务。尤其是 TL 环节会严重影响控制系统的反馈的及时性，使得控制器无法很好的适应系统的变化而变化，如果控制器的参数没有对系统现有的变化做出调整，就会造成控制器的控制效果大打折扣。因此研究TL 环节过程的控制方法在工业控制领域具有非常重要的研究意义与应用价值。 本文对工业过程中的 TL 环节现象进行研究和分析，使用 Matlab 仿真软件中的Simulink模块组建了空调房间温度的数学模型以及相应的控制算法的仿真模型。通过研究和分析中央空调的空气处理单元和空调房间温度，搭建其相对应的数学模型。空调房间的温度控制受到 TL 环节的影响，一般的控制器很难达到理想的控制效果。本文选用 Smith 预估补偿和自适应模糊 PID(自适应 Fuzzy-PID ，以下简称自适应 Fuzzy-PID)相结合的Smith-Fuzzy-PID 复 合 控 制 策 略 :温 度 控 制 系 统 的 输 入 通 过 自 适 应Fuzzy-PID 控制器调节后输出，其输出通过 Smith 预估补偿器将反馈信号反馈给输入端，根据反馈值与目标值的偏差不断进行优化调整，最终实现稳定输出。当输入信号处于模糊论域中任意区域时，自适应 Fuzzy-PID 能够根据模糊论域中对应的模糊规则对参数进行调整优化。通过对仿真结果可以得出：应用 Smith-Fuzzy-PID进行复合控制的方法后，解决了 Fuzzy-PID第一次到达目标之后发生的超调现象。通过理论分析和仿真分析，本文提出的 Smith-Fuzzy-PID复合控制方法在具有TL环节的系统在动态品质方面优于自适应 Fuzzy-PID控制，具有良好的控制表现。 总的来说，本文采用的新型 Smith-Fuzzy-PID 控制算法对于具有时变性、非线性、时滞性的中央空调控制系统能够达到良好的控制效果，使其具有自适应性的同时能够消除 TL 环节对系统自身的影响，确保系统稳定高效的运行。

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附表索引

第 1章 绪 论

1.1 课题的选题背景及意义

1.2 国内外发展现状

1.3 本文主要内容

1.4 本文的主要结构

第 2章 控制策略的研究

2.1 PID控制原理及特点

2.2 自适应 Fuzzy-PID算法

2.3 Smith-Fuzzy-PID算法

2.4 本章小结

第 3章 系统模型搭建及控制策略研究

3.1 空调系统盘管特性分析及建模

3.2 空调系统房间特性分析及建模

3.3本章小结

第 4章 系统仿真结果对比与分析

4.1 仿真软件的介绍

4.2 控制器的参数整定

4.3 模型仿真结果及分析

4.4 文章小结

第 5章 分布式组态监控界面的搭建

5.1 力控组态简介

5.2 监测硬件介绍

5.3 硬件电路抗干扰设计

5.4 组态监控系统

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录 A 第 3章参数表

附录 B Smith-FUZZY-PID仿真模型图

附录 C 自适应 Fuzzy-PID仿真模型图