基于Matlab恒温箱温度控制系统设计与仿真

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 system has an important significance. The thermostat s 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 algorithm 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 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 uncertainty. 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 robustness and adaptability. Key words:Time-lag system, PID control, Fuzzy control, Fuzzy PID control 1.绪论1 1.1选题的目的、意义2 1.2对本课题涉及问题的研究现状3 1.2.1经典控制3 1.2.2智能控制4 1.2.3结论5 1.3主要解决的问题6 2.PID控制及仿真7 2.1微分先行PID算法[7]7 2.2参数辨识8 2.3PID参数的整定9 2.3.1PID参数的特点9 2.3.2ZN经验公式法10 2.4PID算法仿真10 3.1模糊控制基本原理[11]12 3.1.1模糊控制基本思想12 3.1.2模糊控制器的基本结构12 3.1.3模糊控制的特点14 3.2模糊控制器的设计[12]15 3.3温度模糊控制器的设计16 3.3.1控制器结构16 3.3.2模糊子集的选取16 3.3.3模糊规则的确定18 3.3.4模糊推理18 3.4模糊控制仿真20 3.4.1模糊控制仿真20 4.模糊PID控制及仿真21 4.1模糊PID控制器结构21 4.2模糊控制器的设计21 4.2.1模糊子集的选取21 4.2.2模糊规则的建立22 4.2.3模糊推理及模糊决策25 4.3模糊PID控制的仿真25 参考文献26 答 谢27 1.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