空调温度控制系统的建模与仿真

CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 本科生毕业论文题目PID温控系统的设计及仿真学生指导教师学院信息科学与工程学院专业班级完成时间年月摘要温度是工业控制的主要被控参数之一。

可是由于温度自身的一些特点，如惯性大，滞后现象严重，难以建立精确的数学模型等，给控制过程带来了难题。

要对温度进行控制，有很多方案可选。

PID 控制简单且容易实现，在大多数情况下能满足性能要求。

模糊控制的鲁棒性好，无需知道被控对象的数学模型，且在快速性方面有着自己的优势。

研究分析了PID 控制和模糊控制的优缺点，把两者相互结合，采用了用模糊规则整定P K 、I K 两个参数的模糊自整定PID 控制方法。

本研究以电烤箱为控制对象，用MATLAB 软件对PID 控制、模糊控制和参数模糊自整定PID 控制的控制性能分别进行了仿真研究。

仿真结果表明PID 对于对象模型复杂和模型难以确定的控制系统具有很大的局限性，不能满足调节时间短、超调小的技术要求。

由于模糊控制的理论（如量化因子和比例因子的确定问题）并不完善，其可能获得的控制性能无法把握，而且模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。

参数模糊自整定PID 控制吸收前两种方法的长处，满足了调节时间短、超调量为零且稳态误差较小的控制要求。

因此本论文最终确定采用参数模糊自整定PID 控制方案。

本系统硬件采用了以 AT89C52 单片机为核心的温度控制器，选用 k 型热电偶为温度传感器结合MAX6675芯片构成前向通道，同时双向晶闸管和SSR 构成后向通道，由按键、LED 数码显示器及报警单元等组成人机联系电路。

关键词：单片机，PID ，模糊控制，仿真ABSTRACTTemperature is one of the main parameters in the industrial process control.Yetthere are difficultiesto have a good control oftemperature becauseof the characteristics of the temperature itself:the temperature inertia is great, its time-lag is serious and it is hardto establish an accurate mathematical model.There are many methods to be selected in order to control a system. The PID controlis simple,easily realized andin most casesit meetsthe control demand. Fuzzy control has the advantage of quickness,itsrobustness is good and there is no needto know theobject ’smathematical model.This paper analyses the advantages and disadvantages of both PID control and fuzzycontrol and es to the method of bining them together,fuzzy self-tuningPID control. In this method,P K and I K of the PID controller are adjusted by fuzzy control rules ．In the paper simulations of PID control, fuzzy control and fuzzyself-tuning PID control are done by MATLAB to control a electric oven.Conclusions are that for those control objects of which models are plicated or hard to establish,the PID method has limitation and doesn ’t meet the control demand. As the fuzzy control method theory is not perfect, a good control performance cannot be expected. And it could easily cause the steady-state error for it is restricted by limited grades of the fuzzy rules.Finally the fuzzy self-tuning PID control method is selected, since it meets the control demands.In this paper AT89C52 is used as controller, toward access is posed of K which is used as the temperature sensor and MAX6675.Backward access is posed of bidirectional thyristor and SSR. Man-machine circuit is posed of keyboard, LED and warning unit, etc.Key words ：Micro Controller, PID Control, Fuzzy Control, Simulation目 录摘要IABSTRACTII第一章绪论11.1 课题的提出及意义11.2 控制系统背景介绍11.3 当代温控系统及智能算法2第二章温控系统的设计52.1 温控系统的总体设计52.1.1 温控系统设计的基本原则52.1.2 温控系统的结构及设计62.2 温控系统的硬件设计72.2.1 前向通道设计72.2.2 后向通道设计102.2.3 人机通道设计11小结15第三章系统控制方案163.1 PID 控制163.1.1 PID的概述163.1.2 PID 控制的基本理论及特点163.2 模糊控制183.2.1 模糊控制的概述183.2.2 模糊控制的基本原理及特点183.3 模糊PID 控制19小结21第四章仿真研究224.1 MATLAB及其模糊逻辑工具箱和仿真环境simulink224.2 仿真和优选234.2.1 控制对象模型234.2.2 仿真和方案选择25小结32第五章总结与展望335.1 主要工作容335.2 工作小结335.3 存在的问题及未来的方向34结束语35参考文献36第一章绪论1.1 课题的提出及意义温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。

机房空调系统模拟与优化研究随着现代信息技术的不断发展和普及，机房的数量也越来越多。

机房是一种非常关键的设施，它承载着各种重要的业务和数据，因此必须保持良好的运行状态。

而其中最关键的一个因素就是机房的温度控制。

机房通常由大量的计算机、服务器等设备组成，这些设备在运行时会产生大量的热量，如果不能及时排除这些热量，就会导致机房的温度升高，从而影响设备的正常工作，甚至会损坏设备。

因此，机房的温度控制是非常重要的。

机房空调系统是机房温度控制的核心设备。

它通过不断循环空气、排除废气等方式，来保持机房的适宜温度。

机房空调系统的各项参数，如温度、湿度、风速等，都需要精密控制。

因此，对机房空调系统进行模拟和优化研究，能够有效提高机房温度控制的效果，保证机房设备的正常运行。

机房空调系统的建模与仿真机房空调系统的建模与仿真是机房温度控制的重要前提。

通过对空调系统的建模和仿真，我们可以了解系统的工作原理、各项参数之间的关系以及参数的相互作用。

同时，我们还可以在计算机上进行实时仿真，模拟各种工作条件下系统的动态响应，从而调整操作参数，提高温度控制的效果。

机房空调系统的建模和仿真可以采用多种方法。

一般而言，我们可以采用软件模拟、硬件模拟和混合模拟等方式。

其中，软件模拟是最常用的一种方法，它可以基于计算机模拟整个机房空调系统的工作流程，以及各项参数之间的关系。

而硬件模拟则是在真实的物理环境中进行模拟，也就是我们常说的实验室仿真。

混合模拟则是将软件模拟和硬件模拟结合起来，充分利用两种方法的优势。

机房空调系统的优化研究机房空调系统的优化研究可以分为两个方面：一是针对硬件设备的优化研究，二是针对操作策略的优化研究。

针对硬件设备的优化研究，主要是通过对各种设备的选型、工作参数的设定等方面进行研究，以提高整个机房空调系统的效率。

例如，我们可以选用高效节能的空调设备，采取先进的控制技术等，从而减少其能耗、提高其效率。

针对操作策略的优化研究，则是通过对运行策略、控制参数等方面进行研究，以提高机房空调系统的响应速度、稳定性和精度。

科学技术创新2020.12空调房数学建模与仿真郭安柱马永志（青岛大学机电工程学院，山东青岛266071）1概述随着我国经济的快速发展，人民生活水平也在不断提高，空调已经是家家户户必备的产品。

众所周知，空调房系统是一个具有高度的非线性、滞后性的复杂系统[1]，房间温度受到各种因素的影响，各种因素对房间温度的影响程度不一，为了探究外界因素对房间温度的影响，更好的通过空调系统对房间温度进行调节，利用集总参数法建立了空调房系统的动态数学模型，采用Matlab/Simulink 对系统进行模拟仿真。

2模型建立2.1物理模型的建立文章物理模型的原型为青岛某一办公室，其室内结构布局如图1所示，办公区被分隔为三部分，整个办公区长6.2m ，宽4m ，高3m 。

整个办公区采用全空气空调系统，送风形式为侧送风。

图1青岛某办公室平面结构图2.2数学模型的建立空调房为一个非常复杂的热力学系统，具有惯性大、影响因素多、高度的非线性等特点[1]，想要准确的描述其热力学特征非常困难，为了方便建模和求解，本文在实际的空调房热力学模型的基础上提出了以下假设[2]：（1）房间温度场分布均匀，即房间各个点的温度一样；（2）不考虑房间中其他因素对温度场的影响，仅考虑几个主要的热源；（3）与室内进行热交换的围护结构主要为墙体，不考虑其他结构如窗户等对室内温度的影响且室内无阳光直接照射；空调房空气温度对象建模：根据能量守恒定律，空调房内空气储热量的变化率等于单位时间内空调房得到的能量减去空调房失去的能量[3]，则空调房能量守恒的计算公式为：式中，h s 为空调房送风焓值，J/Kg ；h a 为空调房空气焓值，J/Kg ；ρa 为空气密度，Kg/m 3；V a 为空调房室内空气体积，m 3；G s 为送风量，Kg/s ；Q w 为室内围护结构与空气的对流换热量，W ；Q b 为空调房内人体与空气之间的换热量，W ；Q o 为室内其他热源如电灯和电子设备的产热量，W ；K wa 为墙体与空气之间的对流传热系数，W/（m 2·K ）；A b 为墙体与室内空气之间的对流换热面积，m 2；T w 与T a 分别为墙体内表面与室内空气温度，K ；τ为时间，s ；人体与空气之间的换热量由三部分组成，分别是人体通过呼吸作用、辐射作用和自然对流与空气之间的换热量。

控制系统的建模与仿真分析I. 概述控制系统是一种可以自动地对一定的输入信号进行响应的系统，它可以对物理系统进行精确的控制，既可以是以电器元件为主体的电气控制系统，也可以是以机械、液压、气动器件为主体的机械控制系统，而控制系统的建模与仿真是控制系统理论研究和实践工程中的重要环节，是传动控制技术的最基本和最关键的方面之一。

II. 控制系统的建模控制系统建模是指将现实世界中的控制系统转换为计算机模型，以便实现对其进行仿真和控制分析，常用的建模方法包括：1. 状态空间法(Space/sate variable approach)，是描述动态系统的主要方法，通过建立系统状态方程、输出方程来研究系统的稳态和动态响应特性，确定控制策略。

2. 传递函数法(Transfer function approach)，是建立闭环控制系统的主要方法，通过定义系统全过程的输入和输出响应之间的关系，以传递函数G(s) (s为变量)模拟系统的动态响应，确定控制策略。

3. 广义函数法(Laplace transform approach)，是用拉普拉斯转换来表示系统的状态和输出量之间的关系，以求得系统的稳态和动态响应特性，常用于求解系统的微分和积分公式，确定控制策略。

III. 控制系统的仿真分析控制系统的仿真分析是指通过计算机处理控制系统的模型，模拟控制系统行为，评价控制系统设计或控制系统算法的预测特性，常用的仿真软件有Simulink、PSIM、Matlab等，主要应用于下列方面：1. 确定系统的响应特性：通过控制系统的仿真分析，可以研究系统的响应特性，包括稳态响应和动态响应，调试控制策略和设计参数，从而优化控制系统性能。

2. 仿真分析系统的失效点：通过仿真分析，寻找控制系统中的潜在故障和失效点，制定应急措施，以保证控制系统的可靠性和稳定性。

3. 仿真分析控制器性能：仿真分析可以对控制器的稳定性、收敛性、响应时间、扰动抑制能力、抗干扰性能等方面进行分析，以提高控制器性能。