敦煌莫高窟微环境控制系统的设计与实现

摘要

敦煌莫高窟是石窟类遗址，石窟遍布在整个崖壁上，在对洞窟内的壁画、佛像等珍贵文物进行保护过程中，洞窟内的微环境变化对其保存质量具有重大影响。特别是洞窟内的温度、湿度以及二氧化碳浓度等的控制具有非线性、时变性、滞后性等特性，尤其是滞后性的存在，往往使扰动不能被及时察觉，调节效果不能及时反映，造成系统稳定性下降，产生较大的超调或振荡，使得洞窟内的微环境很难被控制。而且洞窟大小各异，形制复杂，当前也缺乏成熟的数学模型来精确描述这些关系，这为在洞窟内开展微环境控制、洞窟管理造成极大困难。洞窟外部的环境也在连续地发生变化。这些都会引起洞窟环境参数的动态变化，进而导致对洞窟微环境预测结果的高度不确定。因此，如何对洞窟微环境进行精确预测，是本项目需要解决的难点之一。
　　针对以上问题的复杂性，为使洞窟的微环境得到有效控制，本文搭建了一套微环境控制系统;自主设计了洞窟的自动分隔控制门;自动分隔控制门上安装了微环境控制系统的控制器——自动分隔控制器，以及控制系统的执行元件——纱帘、密封帘、百叶等，其中对自动分隔控制器完成了软硬件开发，并嵌入了针对时滞环节的智能控制算法;比较、分析了多种控制算法，通过对各算法进行了建模、仿真，最终选用了带积分环节的Fuzzy-Smith预估控制算法，该算法满足对象参数大幅度变化的要求，通过对其鲁棒性和稳定性的理论分析及模型仿真，证明了其稳念性能好、可靠性高的特点。并对洞窟的自动分隔门以湿度控制为例进行了功能验证和调试。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 论文选题的背景和意义

1．2 课题国内外研究现状

1．3 本文研究主要内容

1．3．1 本文研究的目的

1．3．2 本文内容安排

2 洞窟自动分隔门结构设计

2．1 微环境控制系统功能需求分析

2．2 自动分隔门结构介绍

2．3 自动分隔门的具体实施方式

3 洞窟微环境控制算法的理论基础

3．1 时滞系统控制概述

3．2 时滞系统的经典控制方法

3．3 时滞系统的复杂控制方法

3．3．1 Smith预估控制

3．3．2 Dahlin算法

3．3．3 预测控制

3．4 时滞系统的智能控制方法

3．4．1 模糊控制

3．4．2 神经网络控制

3．5 本章小结

4 控制系统模型分析及结构设计

4．1 控制系统模型

4．2 Smith预估控制

4．3 模糊控制器的设计

4．3．1 模糊控制系统组成

4．3．2 模糊控制原理

4．3．3 模糊控制系统设计

4．3．4 模糊控制系统建模仿真

4．4 Fuzzy-Smith预估控制

4．4．1 Fuzzy-Smith预估控制系统组成及原理

4．4．2 Fuzzy-Smith预估控制系统建模及仿真

4．5 带积分环节的Fuzzy-Smith预估控制

4．6 本章小结

5 微环境控制系统的硬件设计

5．1 功能介绍

5．2 微环境控制系统结构介绍

5．2．1 控制器芯片

5．2．2 执行器

5．2．3 无线测量装置

5．3 系统硬件设计

5．3．1 DSP最小系统

5．3．2 F5通信模块

5．3．3 RS485通信模块

5．3．4 微环境控制调节机构模块设计

5．3．5 无线传感网络搭建

5．4 系统硬件电路调试及实物图

5．5 本章小结

6 系统软件设计与验证

6．1 DSP的软件系统概述

6．1．1 Code Composer Studio简介

6．1．2 DSP的编程语言

6．2 系统软件总体设计

6．2．1 DSP系统初始化

6．2．2 GPIO配置

6．2．3 SCI配置

6．2．4 定时器初始化

6．2．5 中断初始化

6．2．6 F5模块通信协议

6．3 系统验证

6．4 本章小结

7 结论

参考文献

图索引

表索引

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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