机械制冷机温度控制算法研究

发布时间：2017-05-11 12:05

  本文关键词：机械制冷机温度控制算法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前红外探测技术已广泛应用于天气预报、环境监测、灾害预警、资源探测、农业种植、渔业养殖以及军事遥感领域,与国家的发展密切相关。在航空航天遥感领域,机械制冷机以其体积小、重量轻、稳定性高等优点成为红外探测器组件的重要组成部分。机械制冷机温度控制的精确性、稳定性对高分辨率相机系统稳定成像具有重要意义。国内外机械制冷机主动温度控制普遍采用比例-微分-积分(Proportion Integration Differentiation,PID)控制算法。由于对制冷机组件的数学模型缺乏了解,无法结合被控对象对PID控制算法进行深入分析,对制冷机闭环温度控制系统的仿真研究较少,因此PID参数的设计多依靠工程经验,费时费力。针对这些问题,本文对机械制冷机PID温度控制算法进行了以下几方面研究:首先,根据传热学和电路相关理论对制冷机温度控制系统主要部件进行了理论建模,确定了模型结构和阶次,模型中的未知参数可以通过辨识得出。随后建立了机械制冷机温度控制系统的闭环控制模型。其次,在分析PID控制基本原理的基础上,结合制冷机组件的数学模型分析了增量式数字PID控制参数变化对系统稳定性的影响。然后,将制冷机组件的传递函数与增量式PID控制器相结合,给出了基于稳定裕度的增量式PID参数稳定域的计算方法,并进行了仿真验证。最后,通过实验法对制冷机组件数学模型的未知参数进行了辨识,并根据试验结果总结了热负载功率对制冷机组件传递函数的影响规律。建立了制冷机温度控制系统的Simulink仿真平台,并采用实验与仿真相结合的方法分析总结了PID各参数以及实际应用中的约束条件对制冷机闭环温度控制的作用规律。最终实现了控温稳定度±0.1K/30min的性能指标。
【关键词】：机械制冷机 PID算法 模型参数辨识 稳定域 参数整定
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273;TB651
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 课题的来源与背景9-10
• 1.2 课题研究现状10-16
• 1.2.1 PID研究历史和现状10-11
• 1.2.2 机械制冷控制器的国内外研究及发展现状11-16
• 1.2.3 研究现状分析16
• 1.3 主要研究内容、创新点及章节安排16-19
• 1.3.1 主要研究内容16-17
• 1.3.2 本文的创新点17
• 1.3.3 本文章节安排17-19
• 2 制冷机温度控制系统构成及其数学模型19-37
• 2.1 制冷机温度控制系统19-25
• 2.1.1 软件控制流程20-21
• 2.1.2 驱动电路21
• 2.1.3 测温电路21-25
• 2.3 制冷机温度控制系统模型25-30
• 2.3.1 驱动电路模型25-28
• 2.3.2 制冷机组件模型28-30
• 2.4 模型参数的辨识30-34
• 2.4.1 系统辨识理论基础30-31
• 2.4.2 辨识步骤31-33
• 2.4.3 控制模型参数辨识方法33-34
• 2.5 温度控制系统模型34-35
• 2.6 本章小结35-37
• 3 PID温度控制算法37-47
• 3.1 PID控制原理37-39
• 3.1.1 PID控制规律37-39
• 3.1.2 PID控制器的阶跃响应39
• 3.2 数字PID控制39-46
• 3.2.1 位置式数字PID控制器40-41
• 3.2.2 增量式数字PID控制器41-43
• 3.2.3 增量式PID参数对系统稳定性的影响43-46
• 3.3 本章小结46-47
• 4 基于稳定裕度的PID参数的稳定域分析及仿真47-61
• 4.1 稳定裕度47-48
• 4.1.1 相位裕度47-48
• 4.1.2 幅值裕度48
• 4.2 基于稳定裕度的连续PID参数稳定域48-56
• 4.2.1 Nyquist稳定判据49
• 4.2.2 PID参数稳定域的求解方法49-50
• 4.2.3 k_p的稳定域50-51
• 4.2.4 k_i ,k_d的稳定域51-56
• 4.3 基于稳定裕度的增量式PID参数稳定域56
• 4.4 基于稳定裕度的PID参数稳定域仿真56-59
• 4.5 本章小结59-61
• 5 实验与结果分析61-81
• 5.1 实验平台61-62
• 5.2 模型参数的实验辨识62-64
• 5.2.1 实验设计62
• 5.2.2 数据的预处理62
• 5.2.3 模型参数的辨识62-63
• 5.2.4 模型验证63-64
• 5.3 热负载功率对制冷机组件模型的影响64-65
• 5.4 Simulink系统仿真65-66
• 5.4.1 Simulink系统模型搭建65-66
• 5.4.2 系统仿真模型验证66
• 5.5 PID各参数对温控效果的影响66-71
• 5.5.1 比例作用对温控效果的影响66-68
• 5.5.2 积分作用对温控效果的影响68-70
• 5.5.3 微分作用对温控效果的影响70-71
• 5.6 制冷机功率限幅对温控效果的影响71-73
• 5.7 控制增量限幅对温控效果的影响73-78
• 5.8 控温稳定性78-79
• 5.9 本章小结79-81
• 6 总结与展望81-83
• 6.1 全文总结与主要结论81
• 6.2 研究方向展望81-83
• 参考文献83-87
• 作者简历及在学期间的学术论文与研究成果87

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