基于MATLABSIMULINK的建筑环境控制系统的分析与设计.doc

控制系统仿真与matlab语言课程论文基于matlab/simulink的建筑环境控制系统的分析与设计学院：电气工程学院姓名：学号：12010305班级：12级自动化2班指导教师：2015年4月摘 要 近些年，暖通空调系统的自动控制在我国的发展很快，采用自动控制的空调系统、供热系统已经比比皆是，但是这些控制系统绝大多数控制质量不佳，运行与节能效果难如人愿。出现以上问题，从设计角度考虑，究其原因主要是因为：暖通空调自控系统设计缺乏辅助设计手段，通常只能凭借经验进行设计；控制策略及控制参数的取值合理与否一般只能在系统完工后，根据现场实际运行效果来判断，若不合理只能做局部的调整和修改，难以实现优化控制；当系统出现问题时，没有一整套针对于暖通空调控制系统的理论分析方法，暖通技术人员只能求助于控制专业人员帮助解决，而控制专业人员不熟悉暖通空调系统工艺流程，故很难及时、彻底、高质量的解决问题。 本文针对建筑环境控制领域存在的上述实际问题，提出了运用当今自控领域最流行的控制系统分析设计软件matlab/simulink 来辅助分析设计建筑环境控制系统。关键词： matlab，控制系统，计算机辅助设计，仿真1、 研究背景 近些年，暖通空调系统的自动控制（楼宇自动化）在我国的发展很快，采用自动控制的空调系统、冷热水系统已经比比皆是，实施暖通空调系统自动化控制所带来的节能效益和管理效益已经广为人知，在实施中业主对系统也抱了很高的期望。然而，从许多已竣工的项目来看，这些控制系统并没有达到预期的效果，难如人愿，其突出表现在以下方面:控制系统的开通率低，据业内人士估计，不超过 20； 已开通的暖通空调自动控制系统，绝大多数的控制质量不佳，节能效果不理想；或自控系统无法稳定，故只能实现设备的自动启停和监测。 以上的这些问题使得投入了大量财力、物力的自控系统成为了华而不实的摆设，不仅浪费了资金、资源，使业主的投入付之东流，更重要的是严重影响了投资者对自控系统的信心，阻碍了暖通空调自动化的进一步推广，甚至使国家的建筑节能计划无法实现。暖通空调自控系统出现以上问题，从自控系统设计的角度考虑，究其原因主要有以下几点： （1）暖通空调自控系统设计缺乏辅助设计手段，通常只能凭借经验设计控制系统； （2）由于系统采用人工设计，无法对控制系统进行深入分析研究，故控制策略合理与否及控制参数的取值一般也只能在系统完工后，根据现场实际效果来做调整和局部修改，难以实现最优的控制；（3）在控制系统出现问题后，没有一整套直接针对于暖通空调控制系统的理论分析方法，暖通空调专业人员只能求助于控制专业人员帮助解决，而控制专业人员却不熟悉暖通空调系统运行工况及工艺，故很难及时、彻底、高质量的解决问题。 2、 结构原理与系统方框图 图 2-1 所示的房间温度自动控制系统，由比例积分控制器、执行器、加热器、空调房间、温度传感器等五个环节组成，各环节的传递函数已标在了图 2-2 的系统方框图内，系统中有两个输入，即给定输入及干扰输入。图1-1房间温度自动控制系统 各参数的取值为：图2-2 房间温度自动控制系统框图3、 系统的时域分析 对控制系统进行时域分析，实质上就是研究系统在某一典型输入信号的作用下，系统输出随时间变化的曲线，从而分析评价系统的性能。对控制系统来说，系统的数学模型实际上就是某种微分方程或差分方程。因此对系统进行时域分析就表现为从给定的初始值出发，以某种数值算法计算系统各个时刻的输出响应，由此来分析系统的性能。3.1 零极点分布模型 为了研究问题的方便，不同时考虑给定作用和干扰作用对系统施加影响。在定值控制系统中，给定值不变，被控量的变化来源于干扰作用，所以选干扰作用为输入量，而不考虑给定输入。在随动控制系统中，主要研究当给定值按一定规律变化时，被控量如何跟踪给定值的问题，所以选给定值为输入量，虽然干扰作用存在，但属于次要因素。这里分别对系统在给定作用下和干扰作用下的稳定性进行分析。 在 matlab 中，计算以上系统传递函数的零极点并判稳的过程，格式如下： nblocks=6; n1=0;d1=1;n2=0.22*225 0.22; d2=225 0; n3=0.0373;d3=1 0; n4=-18/2 1; d4=120*9 129 1; n5=0.37*-30/2 1; d5=300*15 315 1; n6=-1;d6=25 1; blkbuild; q=1 0 0; 2 0 6; 3 2 0; 4 3 0; 5 4 1; 6 5 0; inputs=2; outputs=5; a,b,c,d=connect(a,b,c,d,q,inputs,outputs); z,p,k=ss2zp(a,b,c,d,1) z = 0.1111 0.0667 -0.0044 -0.0400 p = -0.1111 -0.0669 0.0009 + 0.0029i 0.0009 - 0.0029i -0.0040 -0.0099 -0.0394 k = 8.4339e-008 num,den=zp2tf(z,p,k); pzmap(num,den) 图3-1 系统的零极点分布图 运算完毕后，屏幕上会显示系统的零极点分布图（在 s 平面上），如图 3-4所示。通过极点 p 的计算结果，可知系统的特征方程式有一对共轭复根具有正实部，从图 3-4 也可以看出系统有一对共轭复根位于 s 右半平面上，于是可以判断该控制系统是不稳定的。 3.2单位阶跃响应分析单位阶跃响应分析：在原来程序的基础上进行编程：g=tf(num,den);y,t,x=step(g);plot(t,y)系统的单位阶跃曲线如图所示：图3-2 系统的单位阶跃响应曲线由图可知，系统随着时间的推移是发散的状态，是不稳定的四、系统的频域分析 复频域分析由于直观和形象的特点，在控制系统的分析和设计中得到广泛的应用。4.1根轨迹： 根轨迹法是一种求解闭环特征根的简便图解法，它是根据系统的开环传递函数极点、零点的分布和一些简单的规则，研究开环系统的某一参数从零到无穷大时，闭环系统极点在s平面上的轨迹。利用根轨迹法能够分析结构和参数确定的系统的稳定性及系统的动态响应特性，还可以根据系统动态和稳态特性的要求确定可变参数，调整零极点的位置和数目。本系统的根轨迹如下图所示： rlocus(num,den)图4-1 温度自动控制系统根轨迹图4.2 奈奎斯特曲线图 a,b,c,d=tf2ss(num,den); nyquist(a,b,c,d)系统的那奎斯特曲线图为：图4-2 温度自动控制系统的奈奎斯特曲线图 由奈氏图可知，没有包围（-1，j0）点，极点在右半轴，因此，系统不稳定。4.3 bode图：bode(num,den) grid图4-3 系统的bode图5、 误差分析 通过上面的分析，可以概括出为了减小系统给定或扰动作用下的稳态误差，可以采取以下几种方法： 保证系统中各个环节，特别是反馈回路中元件的参数具有一定的精度和恒定性，必要时需要采用误差补偿措施。 增大开环放大系数，以提高系统对给定输入的跟踪能力；增大扰动作用前的系统前向通道的增益，以降低扰动稳态误差。需要注意的是增大系统的开环放大系数可以降低稳态误差的同时也会使系统的稳定性降低，为了解决这个问题，一般需要同时附加校正装置保证系统稳定性。 增加系统前向通道中积分环节数目，可以消除不同输入信号的稳态误差。但是积分环节数目增加会降低系统的稳定性，并影响系统的动态性能。在控制系统中一般采用比例积分调节器来消除扰动作用的稳态误差，但为了保证系统的稳定性，要相应的降低比例增益。如果采用比例积分微分调节器，则可以得到更满意的调节效果。 为了进一步减小给定和扰动作用的稳态误差，可以采用补偿的方法。六、校正与调参 对于稳定的系统，在工程上常用单位阶跃响应时的超调量、调节时间和稳态误差等性能指标来评价控制系统性能的优劣。这里还是以图 3-3 系统为例进行分析，但系统各参数取值变为：在 simulink 中建立的模型框图如图 3-10 所示。为了方便的获得系统在给定及干扰信号作用下的各项性能指标，可利用 simulink进行分析。 图6-1 系统的simulink仿真模型 在该系统的 simulink 模型窗口中，执行 tool 菜单下的 linear analysis 命令，就会打开 lti viewer 窗口，同时还打开了包含系统分析输入点(input point)模块与系统分析输出点(output point)模块在内的model_inputs_and_outputs 模块库，如图6-1所示。在对系统进行分析时，首先必须指定被分析系统的 simulink 模型框图的系统分析输入点与系统分析输出点，对于该恒温室控制系统而言，应分为两种情况进行讨论，即给定输入作用下的性能（干扰型号为零）和干扰输入作用下的性能，下面是对这两种情形的分析： 给定作用下的系统性能 在系统模型中加入 input point 与 output point 点 在系统模型框图中加入分析 input point 与分析 output point 点，这里需要注意 input point 与 output point 点的位置可能与系统的输入与输出点的位置不同，这取决于所要分析的对象。在这里由于我们是要分析系统在给定输入作用下的系统输出，因此 input point 点放在了给定输入的位置上，output point 点放在了系统输出上。 放置完系统分析输入与输出点后，执行 lti viewer 窗口中 edit 菜单下的viewer preferences 命令，弹出 lti viewer preferences 窗口，选择其中的 parameters选项卡，定义仿真时间（define stop time）为 3600*8（即八个小时）；然后再通过 lti viewer 窗口中的 simulink 菜单下的 set operating point 命令设置系统的操作点，这里使用系统的默认值，点击 ok 按钮确认，随后在 lti viewer 窗口就绘制出该恒温室控制系统的单位阶跃给定输入下的响应曲线，如图6-2 所示。图6-2 阶跃响应曲线图图6-3 系统单位阶跃响应指标图 从图中可以看出，该系统的单位阶跃响应是一条初始值为 0，按指数规律上升并曾衰减振荡的曲线，最后稳定到稳态值 1。为了了解系统的阶跃响应的性能参数，可在 lti viewer 图形绘制窗口中单击鼠标右键，使用右键弹出菜单中的characteristics 子菜单来获得系统的各项性能（超调量，调节时间和稳态误差）指标值，如图6-3所示： 从图6-3可知系统的各项性能如下： 超调量（overshoot）：58.7； 调节时间（setting time， 5%的误差带）：秒 稳态误差：由于稳态值（dc gain）为 1，因此稳态误差为零。 七、结论通过前述的计算机仿真分析与设计及实验验证研究，对于使用基于matlab/simulink 进行建筑环境控制系统的分析设计做了详细的研究，从中可以得出以下结论： （1） matlab/simulink 功能强大、设计分析方法简便灵活。 在课题的研究过程中，作者深刻的感受到了 matlab 强大的矩阵运算功能以及 simulink 友好的图形化用户界面为控制系统的建模与设计所带来的极大方便。matlab 不仅可以进行包括暖通空调系统在内的控制系统的动态与稳态性能分析、系统控制器设计、参数优化等，而且可以利用 simulink 提供的强大图形处理功能，通过实时仿真在示波器窗口直观的显示被控对象的动态曲线，设计分析结果一目了然。与传统的设计方法相比，这种计算机辅助设计方法不需要太多的控制理论基础，使控制系统的设计分析过程大大简化。 （2）设计分析结论具有一定的实际价值，有指导意义。 通过本课题的实验研究，初步验证了：只要系统模型是建立在实际系统的基础上，系统各主要组成部分的传递函数或微分描述可以足够精确的反应实际系统，那么应用 matlab/simulink 进行的建筑环境系统的分析设计就会有相当的可靠性与可信度，其结论对实际具有指导意义，可以为建筑环境控制工程的设计及现场调试提供依据。特别是对于控制精度要求高、系统庞大的工艺性空调系统，利用计算机模拟仿真与辅助设计可以缩短控制工程前期的验证与设计时间，减少工程的实际风险，可以及早发现问题，提出较合理的控制方案。 （3）建模是关键。 在研究中发现，使系统仿真结果与实验结果产生较大偏差的部分正是那些模型建立与实际出入较大的环节，例如光固态继电器本身是一个非线性环节，但在仿真中是将其简化为一个连续可调的线性环节，使其输