基于Smith预估器的模糊PID控制在中央空调系统中的应用

论文摘要

中央空调是智能建筑的重要组成部分,随着我国经济建设的发展和人民生活水平的提高,中央空调的使用将越来越普遍。然而,由于现在的中央空调控制大多数采用传统的PID控制算法,而中央空调系统的高阶非线性、时变、大时滞等特点,使得常规PID控制的控制效果欠佳,系统调节时间长,能源消耗大。因此,研究中央空调控制参数的实时在线整定可以缩短系统调节时间,提高控制精度和稳定性,有效降低空调系统的能量消耗。本文分析了中央空调系统的结构和基本组成,在此基础上,建立了空调系统空气处理环节的被控对象模型。从影响空调控制效果的时变性、非线性、大时滞入手,利用模糊控制不依赖被控对象精确模型的特点,由模糊算法在线整定PID控制器参数。对于模糊控制器存在的控制精度不够,有可能在平衡点发生振荡的缺点,本文在研究学习了李洪兴提出的变论域理论后,将变论域的思想引入设计中。并为简化控制器算法的设计使用变比例因子代替直接变论域的办法,使模糊控制器能根据系统误差变动的范围动态调整其论域,达到消除系统振荡,提高控制精度的目的。对于空调房间系统大时滞的特性,本文引入Smith预估控制算法,克服时滞对系统动态特性的影响。为解决Smith预估器存在的对系统精确模型严重依赖的缺点,在以系统稳定性为前提的情况下,使用C.C.Hang改进后的Smith预估器结构,并以此为基础针对本文的系统模型进行研究。通过仿真分析发现了算法存在的问题和不足并针对性的提出改进,使C.C.Hang结构的Smith预估器具有自适应能力可根据系统状态的动态特性调整控制器参数,最终使系统得到理想的动态响应。文章最后将本算法与PID、模糊PID及Smith模糊PID一起进行仿真对比分析,得到系统不同状态下的四种控制算法仿真特性曲线。根据曲线的各项性能指标列表进行对比分析,由仿真参数可知本算法要优于其它三种算法。总结以上:对于中央空调这样的高阶非线性、时变、大时滞系统,本文所设计的控制策略具有较好的控制效果和动态特性,有一定的自适应能力,能够克服时变、时滞等不利因素对系统的影响,确保系统稳定高效的运行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 中央空调控制技术发展现状
• 1.2.1 中央空调控制技术国外研究现状
• 1.2.2 中央空调控制技术国内研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 中央空调系统建模
• 2.1 引言
• 2.2 空调自动控制系统组成
• 2.3 中央空调系统的建模
• 2.4 中央空调中空气处理机组的工作原理简介
• 2.5 中央空调空气处理机组的物理模型
• 2.6 空调房间的数学模型
• 2.7 小结
• 第三章 变论域模糊PID控制器
• 3.1 引言
• 3.2 模糊控制理论
• 3.2.1 模糊控制器基本原理
• 3.2.2 模糊控制器的组成
• 3.2.2.1 模糊化
• 3.2.2.2 知识库
• 3.2.2.3 模糊推理与解模糊
• 3.3 模糊控制在PID 自整定中的应用
• 3.4 模糊PID 自整定控制系统结构
• 3.5 PID 参数模糊自整定控制器的设计
• 3.5.1 输入输出变量模糊化
• 3.5.2 建立模糊控制规则表
• 3.5.3 模糊关系的求解
• 3.6 基于变论域思想的自适应模糊控制器设计
• 3.7 小结
• 第四章 自适应Smith预估算法
• 4.1 引言
• 4.2 Smith 预估控制算法介绍
• 4.3 Smith 预估控制器的改进
• 4.3.1 研究现状
• 4.3.2 改进算法介绍
• 4.4 Smith 预估器自适应算法
• f 的调整规律研究'>4.4.1 预估器参数t_f的调整规律研究
• f 的调整规则'>4.4.2 参数t_f的调整规则
• 4.4.3 系统仿真的Simulink 仿真模块
• 4.5 小结
• 第五章 中央空调系统空气处理单元控制仿真
• 5.1 引言
• 5.2 算法仿真特性研究比较
• 5.2.1 Simulink 模型的建立
• 5.2.2 仿真分析
• 5.3 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢