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基于模糊滑模变结构算法的大气候室控制研究

作　者: 刘鑫钰
导　师: 周玉成
学　校: 中国林业科学研究院
专　业: 木基复合材料科学与工程
关键词: 大气候室温度相对湿度模糊滑模变结构控制
分类号: TS653
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

大气候室法能够模拟实际室内环境，对人造板及其制品进行整体的甲醛释放量检测，测试结果能够反映室内环境中甲醛释放的实际情况，具有较高的可信度。但是大气候室造价高，检测周期长，导致甲醛检测成本过高，影响了大气候室在国内的应用。另外，大气候室的温度和相对湿度属于非线性、强耦合、大滞后的控制对象，常规的PID控制很难获得良好的控制效果。本文针对上述两个问题开展研究，开发出以微处理器为核心控制器的30m3甲醛检测大气候室，应用模糊滑模变结构控制算法，通过理论推导、仿真实验和实际运行，研究模糊滑模变结构对大气候室的控制效果。主要研究结果如下：（1）开发了模拟居住环境的30m3大气候室设备，将其用于人造板及其制品的甲醛释放量检测。大气候室的控制系统以ATmega2560微处理器为核心，系统程序设计成功能单一、结构清晰的模块，方便编译、维护和修改，模块化的设计容易实现系统移植，加快了软件的开发进程。与PLC控制系统相比，成本仅为其1/3左右。（2）建立大气候室温、湿度数学模型，并采用局部线性化方法对系统数学模型进行简化，对大气候室温度和相对湿度之间存在的耦合效应进行前馈解耦，将双输入双输出系统分解成两个单输入单输出系统，以方便模型求解。（3）分别研究了模糊控制和滑模控制对大气候室系统模型的控制效果，分析了这两种控制方式的控制特点，为了发扬不同控制方式的优点，克服其缺点，将两种控制方式相结合，设计出模糊滑模控制器。以切换函数s作为模糊输入变量，以改进型指数趋近律的系数ε和k为模糊输出变量，优化系统的趋近过程，削弱控制输入的抖振现象。仿真结果表明模糊滑模控制器对大气候室这种非线性系统控制效果良好，与传统的PID控制相比，具有响应速度快、超调小等优势。（4）首次将模糊滑模控制算法应用到甲醛检测大气候室的温、湿度控制上来。系统运行测试结果表明，室外环境温度为9℃时，大气候室的温度和相对湿度约7h后达到稳定状态，超调很小，控制精度分别为±0.3℃和±1%。（5）使用模糊滑模变结构控制实现了动态条件下产生饱和湿空气的约束技术，整个检测过程中，检测室内没有出现雾与结露，保证了检测过程的准确性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
表目录  12-13
图目录  13-16
第一章绪论  16-41
  1.1 研究的目的和意义  16-18
  1.2 气候室发展现状  18-20
  1.3 滑模变结构控制理论及发展现状  20-30
    1.3.1 滑模变结构控制基本概念  20-22
    1.3.2 变结构控制的基本特性  22-24
    1.3.3 滑模变结构控制发展现状  24-30
  1.4 模糊控制理论及发展现状  30-39
    1.4.1 模糊控制基本概念  30-38
    1.4.2 模糊控制发展现状  38-39
  1.5 研究的主要内容  39-41
第二章大气候室构成及系统模型建立  41-61
  2.1 大气候室检测原理及构成  41-43
  2.2 大气候室主要构成部分  43-53
    2.2.1 检测室  43
    2.2.2 控温系统  43-44
    2.2.3 控湿与空气交换系统  44
    2.2.4 空气循环系统  44-45
    2.2.5 控制系统  45-53
  2.3 大气候室温、湿度数学模型的建立  53-60
    2.3.1 模型的建立  53-58
    2.3.2 模型的前馈解耦  58-60
  2.4 本章小结  60-61
第三章模糊控制器的研究  61-77
  3.1 模糊控制器的结构  61-63
  3.2 模糊化  63-66
    3.2.1 量化因子  63-64
    3.2.2 模糊化处理  64-66
  3.3 近似推理运算  66-70
    3.3.1 温度模糊控制规则  66-67
    3.3.2 相对湿度模糊控制规则  67-69
    3.3.3 近似推理过程  69-70
  3.4 清晰化  70-72
    3.4.1 比例因子  70-71
    3.4.2 清晰化过程  71-72
  3.5 仿真实验  72-76
  3.6 本章小结  76-77
第四章滑模变结构控制器的研究  77-88
  4.1 引言  77
  4.2 切换函数  77-81
    4.2.1 切换函数的设计  77-78
    4.2.2 趋近律  78-81
  4.3 滑模控制律的设计  81-82
  4.4 仿真实验  82-87
  4.5 本章小结  87-88
第五章模糊滑模变结构控制器的研究  88-103
  5.1 引言  88-90
  5.2 模糊滑模控制器的设计  90-97
    5.2.1 温度模糊滑模控制器的设计  90-93
    5.2.2 相对湿度模糊滑模控制器的设计  93-97
  5.3 仿真实验  97-102
  5.4 本章小结  102-103
第六章系统应用效果  103-112
  6.1 大气候室系统平台搭建  103-106
  6.2 系统软件设计  106-108
  6.3 系统运行效果  108-111
  6.4 本章小结  111-112
第七章结论与讨论  112-114
  7.1 结论  112-113
  7.2 讨论  113-114
参考文献  114-124
攻读学位期间学术成果  124-125
致谢  125

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