smith自适应模糊PID在房间湿度控制系统中的应用

Posted 2022-05-02 studyer_domi

本文首先对空调进行相关数据采集，通过MATLAB软件，用最小二乘法数学建模，建立冷水阀门开度与房间内湿度间的数学模型，为系统仿真提供模型依据。

    本文第3章先介绍了SMITH预估原理，并将其改进。在预测误差回路上，加入加权平均滤波，来增强系统的稳定性。随后第4章介绍了模糊自适应PID算法的原理，解决了系统大滞后的问题，并针对空调冷水阀门与房间湿度之间的数学模型，采用模糊自适应PID+改进的SMTIH预估控制算法，在MATLAB软件上进行系统仿真，得到很好的控制效果。

关键词:滞后 模糊自适应PID SMITH 最小二乘法

1 绪论

1.1课题背景及意义

随着人们生活水平的不断提高和科学技术的飞速发展,人们对居住环境和工作环境提出了越来越多的要求和挑战,而温度和湿度则是其中的两项重要指标,合适的温度和湿度不仅是人们生活环境中的重要参数,在工农业生产和国防建设等其他领域中也非常重要。

中央空调的湿度控制通常存在着较大的纯滞后，使得湿度控制容易产生震荡，不能达到高控制精度。同时，有相当多的空调浪费能源的问题比较突出。原因之一是:系统加湿与除湿控制彼此独立，系统运行中存在着加湿与除湿共同作用，出现能源的极大浪费。

1.2国内外研究现状及关键技术

（1）温湿度控制研究现状

早期的空调没有实现自动控制，都是由工人根据实际工况将调节阀调节到一定的位置。需要很长的时间才能达到预期的效果，这样必然会导致能源浪费，而且在一段时间内不进行调节，控制效果会变坏。由于计算机、通信及电子技术的发展，出现了多种多样的控制器，给空调的控制带来了方便。目前大多数的空调采用定风量空调，监测房间内的相对湿度，当湿度低于给定值时，加湿阀门动作，进行系统加湿过程;当湿度高于给定值时，冷水阀动作，进行系统除湿过程。监测房间内温度，当温度高于给定值时，冷水阀门动作，进行系统降温过程，;房间温度低于给定值时，热水阀门动作，进行系统热补偿过程。由于只有三个执行器(冷水阀门，热水阀门，蒸汽加湿阀门)，其中冷水阀门兼顾降温与除湿的控制，当出现系统需要降温与除湿同时进行时，冷水阀门按照控制作用大的那个输出，作为系统的输出，然后进行相应的热补偿或加湿补偿，使得房间内的温度与湿度趋于给定值。要解决空调温湿度控制，首先就是要克服温、湿度大滞后问题，然后再考虑温度与湿度控制之间的藕合关系。因此中央空调的温度控制的关键技术之一就转化称为了控制系统大滞后问题的研究。

（2）中央空调节能问题

目前能源问题，与环境保护和人口问题一起称作当今社会“三大难题”。而洁净空调，是一种初投资大、运行费用高、能耗多的工程项目，其与能源、环保等方面的关系尤为突出。

1.3本课题研究的内容和要解决的主要问题

本课题主要研究的内容是空调系统湿度的控制问题。

    主要解决的问题:采用模糊自适应PID+SMITH预估的控制算法，来解决中央空调的度湿大滞后控制问题。

1.4论文的结构

    论文首先叙述了中央空调湿度控制现状。第2章使用MATLAB软件，对采集的中央空调系统的相关数据，应用最小二乘法的建模思想，建立了空调冷水阀门与房间湿度关系的数学模型，为系统仿真提供依据。第3章介绍了SMITH预估器，模糊控制理论，采用模糊自适应PID+SMITH预估的控制思想，解决中央空调温度控制大滞后问题，对第2章建立的模型进行仿真。

 

 对比三种仿真结果，开环的控制系统的响应为负，而且超调量过大，响应-1，不是输出的期望信号1。不满足实际的要求，对于加入了PID的控制系统，能够实现稳定值在1，满足设定的期望值，但对于控制系统而言，他的问题是系统超调量（20%）依旧过大，而且系统稳定时间（25000s）较长。对于加入了SMITH模糊PID控制的系统，我们发现系统消除了超调量，而且在12500s的时候就能够达到稳定，相对于PID控制系统，能够提高一倍的稳定速度，能够有效低控制整个系统。

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