基于MATLAB的智能多输入多输出智能解耦系统设计仿真.docx

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基于MATLAB的智能多输入多输出智能解耦系统设计仿真

毕业设计论文

基于MATLAB的多输入多输出智能解耦系统仿真

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历

而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

日期：

指导教师签名：

日期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论

文）的规定，BP：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被査阅和借阅。

本人授权大学可以将本学位

论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

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年月日

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日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装

指导教师评阅书

指导教师评价：

1.撰写（设计）过程

K学生在论文（设计）过程中的治学态度.工作精神

□优□良□中□及格口不及格

2.学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格口不及格

3.学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格口不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格口不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格口不及格

2.论文（设计）质量

K论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格口不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格口不及格

3.论文（设计）水平

K论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格口不及格2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格口不及格

3＞论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格口不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格口不及格

（在所选等级前的□内画“丁”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

1.论文（设计）质量

1＞论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格口不及格

2.是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格口不及格

二、论文（设计）水平

1＞论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格口不及格

2.论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格口不及格

3.论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格口不及格

建议成绩：

口优

□良□中

□及格

□不及格

（在所选等级前的□内画

评阅教师：

（签名）

单位：

（盖章）

年月

日

洛阳理工学院毕业设计（论文）

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价:

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

二、论文（设计）质量

1＞论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格口不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格口不及格三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格口不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格口不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格口不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格口不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

教学系意见:

系主任:

（签名）

年月日

摘要

随着人类社会的飞快发展与进步，农业的科学技术也在跟着不断的前进，现代化农业越来越趋向于农业的自动化管理。

研究温室环境的自动化控制系统，尤其是网络化的自动化现代农业的智能控制管理是现在和未来所必须研究的，也是未来很有潜力的研究方向。

在温室环境的控制系统中，对温室里面的各个环境因子的控制将直接影响到农作物的生长和发育，其中温度和湿度的测控向来都是温室环境因子研究中的重中之重。

此次研究的课题运用到了许多学科的新理论、新技术，本系统用的是智能控制中的模糊控制技术，针对很长时间以来温室中的温度和湿度存在很强的耦合关系和温室温湿度变化情况对监控系统的反馈等问题提出了不错的解决方案，提供了一种新的方法来解决系统控制不够精准、能源消耗比较高、经济效益不理想等问题，同时也可以解决好时变性、大滞后和耦合性这些繁琐的系统控制问题，可以有效的对温度和湿度存在的强耦合进行智能解耦。

关键词：

湿度，模糊控制，智能解耦，MATLAB

洛阳理工学院毕业设计（论文）

MATLABBasedMulti-InputMulti-OutputIntelligent

DecouplingSystemSimulation

ABSTRACT

Withthecontinuousprogressofhumansocietyandtherapiddevelopmentofagriculturaltechnology,agriculturalfacilitiesmodernizationofagricultureisundoubtedlyanimportantsymbol.Greenhouseenvironmentalcontrolsystem,inparticularthenetwork,basedonmodernagriculturecontrolmanagementautomaticcontroltechnology,itisnecessaryanddevelopmentpotential.Inthegreenhouseenvironmentcontrolsystem,controlofenvironmentalfactorsinthegreenhousecropsdirectlyaffectgrowthanddevelopment,includingthedetectionandcontroloftemperatureandhumiditymonitoringgreenhousehasbeenthefocusofthestudyofenvironmentalfactors.Theintegrateduseofnewknowledgetopicmultidisciplinary,newresults,thesystemusesintelligentcontrolfuzzycontroltechnology,haslongbeenthestrongcouplingoftemperatureandhumidityinthegreenhouseeffectandgreenhousetemperatureandhumiditychangesinthemonitoringsystemoffeedbackandotherissuesmadeaverygoodthesolutionforsystemcontrolprecisionisnothigh,relativelyhighenergyconsumption,pooreconomicreturnsandothersuchdifficultissuesopenedupanewroute,itisabletohandlecomplexsystemdegeneration,biglaganddisastertogether,etc.controlproblems,caneffectivelydecoupledbetweentemperatureandhumidity.

KEYWORDS：

Humidity,FuzzyControljntelligentDecoupling,MATLAB

前言1

第1章绪论2

1・1课题研究的目的和意义2

1・2国内外研究现状和发展趋势4

第2章系统总体设计6

2・1控制系统的设计要求6

2・2设计目标62・3解耦系统的组成及解耦原理

第3章解耦方法的选择

3・1系统环境因子的研究

3・1・1温度对作物的影响

3・1・2湿度对作物的影响10

3・1・3温度和湿度的耦合关系11

3・2解耦方法的选择

3.2.1对角矩阵法

3.2.2单位矩阵法12

323前馈解耦法12

第4章模糊控制系统的设计

4・1模糊控制系统方案14

4・2模糊逻辑控制器设计17

4.2.1测量信息的模糊化18

4.2.2模糊控制规则21

22

4.2.3模糊推理

423反模糊化22

第5章系统仿真与调试24

5・1系统仿真模型的建立24

5丄］Simulink仿真环境］

5・1・3・・・・

5・2仿真调试・・・・・・・,

5・3仿真结果分析结论

参考文献

Simulink仿真的基本过程25

29

29

31

32

33

34

外文资料翻译

-XjU

刖旨

在智能温室控制系统中，温室里面的各种环境因素都是能够直接影响到农作物的生长和发育。

在众多的环境因子中，能够对农作物起到明显的影响效果的就是温度和湿度的变化。

不过，这样的复杂系统往往有着非线性、多变量、时变、大时滞这些特点，实际应用设计的时候建立它的很精确的模型是一件困难的事情，并且鲁棒性和自适应性都很弱。

这些年来，采用模糊控制算法来解决这种复杂的控制系统的问题有了很大进步的实践。

常见的温湿度控制器是把温度和湿度分开来进行监控的，但是真实的环境中温度和湿度这两种环境因子存在较强的耦合关系，对其中一个环境因子控制就会直接干扰另外一个因子的变化。

研本课题的研究可以学习多变量系统的特点，系统的运动和平衡的变量之间的关系，并了解多变量系统的内部结构，同时能够了解模糊控制理论，用MATLAB实现多变量系统智能解耦控制。

第1章绪论

1.1课题研究的目的和意义

我国是一个拥有众多人口但是人均资源却相当匮乏的国家，据最新统计我国每人平均的耕地面积还达不到全球平均水平的三分之一，人均水资源拥有量也不到全球平均水平的四分之一，并且这些资源分布也不均衡。

并且，由于目前我国的人口比较多，所以今后的一段时间我国的人口数量还会有一定的增加。

面临这种严峻的资源形势，要满足大众的最根本的生活问题，首先一定要改变农业的生产方式，因为目前我国的农业仍然是浪费国家土地资源和水资源最严重的。

因此，针对以往粗放型的农业生产方式加以改进，从而来减少浪费资源甚至达到不浪费，在有限资源环境的前提下，依靠科学技术的不断发展，来实现农作物的高产，生产的高效。

就当前世界农业的发展形势来看，设施农业必定会成为农业现代化的一个重要标志。

所谓设施农业，就是依据先进的农业设施，改造农作物、水产品、禽畜等的生活环境，抵挡外界的不良环境，增加对农作物作业的时间，从而使得农作物、水产品、畜禽等在更好的环境中使得产量和质量得到进一步提高。

国家运用了很多方法来加快农业现代化的步伐，尤其是国家科委提出了“工厂化高效农业”这一具有时代标志的伟大工程，对我国农业的未来发展提供了一个很好的基础，在高效的农业科技生产项目中,其中一个重要的部分就是建立自动化水平比较高的温室。

先进的现代化温室来源于发达的科学知识和技术，运用持续的生产管理方式，高效率的最大化生产各种水果、蔬菜、花卉等农作物，其核心技术是机械化，环境控制，自动生产。

环境控制工程作为提高农业产量和质量的一种方法，成为了现代化农业的一个先进标志。

但由于温室内较高的温度和湿度这种不好的工作环境以及追求高效率、精准的作业，仅仅依靠人工来对这些环境进行监控是不太现实的。

采用计算机进行温室环境的自动监测控制和管理来代替人工是目前发展形势。

研究合理高效的温室环境的控制方法可以提高土地和其它资源的利用

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率，通过对温室环境的准确的测量和控制，来减少温室环境的投入资源。

在温室环境监这样的检测和控制控系统中，作物的生长速度与发育情况跟温室中的各个环境因子的控制有着直接的联系，所以对环境因子进行很优良的控制是一件非常必要并且很重要的一件事情。

温室中存在着的各个环境因子都能对温室中的作物产生不一样的影响，比如温室内光照度、CO浓度、温度、湿度、营养液导电率（EC）,营养液酸碱度（PH）、土壤温度以及土壤湿度等，不仅温室内的环境因子能对作物产生影响，就连温室外的环境因子也能影响到作物的发育，比如温室外的风力、风向以及雨雪等，由于传感器技术的不断进步，实现对作物的一些特有指标和生理功能的监控已经可以变成现实了，就算模拟温室作物的一些生长过程以及发育情况也是可以做到的。

这些类型有所不一样，性质也比较复杂的变量就是温室监测控制系统要重点处理的对象，以往的普通传感器是没有办法测量出这一些复杂的变量的精准的数据的，要求要有功能不一样的传感器来当做监测的工具选择正确的合适的传感器就可以实现对不同的变量进行精准的测量了。

温度和湿度是这么多的环境因子中最基本的，它们对作物的影响也是最明显的，对温湿度的检测和控制向来都是温室环境因子监控中的重点，可是一直都没有完全解决下面的两个大难题，第一个就是温室中的温度和湿度不是相互独立的环境因子而是存在一定关系的，温度上升的话湿度就会有所减小，同样湿度増加的话温度就会降低即它们之间存在着一定的耦合作用，如果仅仅是控制两者其中的一个是不可能得到精确的结果的，第二个问题就是，以往在研究过程中，往往不会考虑执行机构得到数据后开始执行后，温室中的环境又发生了变化，这些变化又反馈给了监控系统。

上面的这两个问题的一直存在，这样会让控制机构执行起来有些过度，进而温室内的能量消耗会不断增大。

单因子控制以及多因子综合控制这两种方法是目前温室温湿度控制的主要方法。

单因子控制是相对于多因子控制来说控制起来比较简单，它只是控制所有因素中的一个因子，而不考虑其他因子的影响和变化。

当其在控制温度这个因子时，在进行控制时只对温度这一个因子进行调节控制，其它因子的变化已经对整个温室的影响并不给于考虑，这种方法的适用性比较差。

因为在实际的温室中几乎所有的环境因子之间都存在着一定的或多或少的联系，一个因素变化了，其它因素也会跟着做出一定的变化，牵

一发而动全身。

多因子综合控制也可以叫做复合控制，能多多少少解决单因子控制存在的不足，此种控制方法依据作物对不同环境因子之间的影响联系，如果其中一个因子改变了，其它因子也会跟着做出相应的变化，由于这种方法能更好的结合众多的环境因子的变化，所以未来的温室技术的发展也会偏向于这种控制方法。

由于常见的控制系统都运用单级控制这种方式，这样的系统还是可以满足一些规模比较小的、普通的、对控制精准对要求不是那么高的温室系统，但是随着时代的不断发展与进步，温室向着越来越大型，系统越来越复杂，要对也越來越高的方向发展，很明显这种比较单纯的控制方式是无法满足时代的需要的。

所以，针对当代的大型复杂的温室研究出更好的温室控制系统是非常有必要的，也是很多实际价值的。

因为在温室众多的环境因子中，温度和湿度是作为重要的也是对温室环境影响最大的两个因子，所以本科题的目的就是把温室里的温度、湿度作为研究对象来探索温室环境的自动控制技术，仅采用对温湿度环境因子的测控和研究，争取用合乎情理的实验方法得到相对来说比较准确的控制效果，模拟创造出一个人工的环境作为适宜作物生长和发育的生活气候，来代替那些影响作物健康生长和良好发育的环境因子，实现在实际的在农业生产活动中作物的生长周期变短，增加作物的产量，来得到更好的经济效益。

1.2国内外研究现状和发展趋势

在温室中对作物影响最严重的环境因子主要就是温度和湿度这两个因子，所以，对温湿度进行智能解耦是当今温室环境控制系统研究的主要方向，随着我国温室产业的不断进步，温室的大小和种类也随之增加，我国的资源环境也跟着一步步短缺，所以，温室也趋向于向节约资源同时高产高效的方向发展，如果温度和湿度得到了优良的解耦那么温室的资源消耗就会大大的降低，温室的这种特点尤其是冬季升温和夏季降温这两个时候变现的更为明显。

之前人们对温室中温度湿度的解耦控制问题已经进行了深入探索，总结出了各种，其中最好的解决方法就是通过模糊控制的方法，搭建一个模

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糊控制系统模型然后再进行模糊控制器的设计，加进解耦参数，通过这种方法来实现对温室的温湿度进行解耦控制，可以很大程度的提高控制系统的控制精准度。

由之前人们的研究能够知道，第一，温室中的温湿度两者之间的解耦是温室解耦的主要目标，温室中有众多环境因子，进行解耦时例如二氧化碳、氧气含量以及光照强度等重要因子并没有考虑进去，温室的解耦本应该把其它的重要的环境因子也包括进去，第二，有很大部分都是釆用要求有精确的数学模型才能解耦的解耦方法，而温室是一个比较模糊的模型参数，第三，以往采用的进行温室环境控制系统的解耦方法适用性较差，不一样的温室，它的环境模型也是不相同的，所以温室解耦的数学模型应该选取那些较为普遍的环境模型。

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第2章系统总体设计

2.1控制系统的设计要求

利用MATLAB/SImulink仿真的功能，设计基于MATLAB的温室大棚温湿度智能解耦系统并进行仿真，以温湿度的偏差量和偏差率为输入量，反模糊后的精确的温湿度控制量为输出量，采用模糊解耦方法对系统进行控制：

（1）了解和掌握解耦控制系统的设计方法；

（2）建立被控对象的模糊解耦系统的仿真模型；

（3）进行系统辨识、稳定性分析、控制策略选择、参数整定；

（4）最终进行系统仿真，并对仿真结果进行分析。

2.2设计目标

学习多变量系统的特点、系统运动和平衡时各变量之间关系的数学描述法，理解多变量系统的内部结构和性质。

用MATLAB实现多变量系统的智能解耦控制是利用模糊控制理论实现的。

温度与湿度是影响温室大棚环境的两个重要环境因子。

模糊解耦控制系统的原理是把被控量的理想值与t时刻的测量值作出比较，进而得到偏差e,再计算出偏差的变化率ec,然后，e和ec分别量化为模糊量E和EC,然后进行模糊决策，模糊决策是根据E、EC和模糊控制规则R依据推理合成规则，得到模糊控制量u,最后把前面计算的模糊控制量u反模糊化成精确量U,作用在被控制的对象身上，这样不断的循环下去从而实现对被控对象的模糊控制，来达到系统解耦的目的⑴。

解耦设计的目的是构成独立的单回

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路控制系统，利用单回路控制理论实现系统控制性能。

为了简化分析的难度但同时又不影响对整个问题分析的正确性，系统以温度和湿度的偏差值和偏差率为输入，反模糊化后的温度和湿度的精确控制量为系统输出量，选用模糊解耦法对本系统进行设计和仿真。

2.3解耦系统的组成及解耦原理

本设计是基于模糊解耦法的温室温湿度智能解耦控制系统，比较重要的部分有温度和湿度传感器、模糊逻辑控制器以及执行机构等。

本模糊系统方案如图2・1所示：

观度传感機

图中，人是专家经验给出的作物生长所需的最佳理论温度，仇为给出

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的理论最佳理论湿度。

勺、引分别是理想理论值与实际监测值之间比较后的温度和湿度的偏差，&0、85分别是他们的偏差的变化率。

因为实际中温度和湿度存在一定的耦合作用，所以通过加入解耦参数来减弱他们的耦合性，即：

勺⑸=（1一勺冶+勺勺（2」）

eg=（1一ag+（2-2）

经过模糊控制器的解耦后，求得图中执行机构的输出控制量，本系统的最重要的组成部分就是图中的两个模糊逻辑控制器，其推理设计方法为:

把系统的输入量和输出量转化成模糊子集，然后定义论域，再由各输入输出量的真实变化范围构造模糊化表。

根据这个方面专家的知识经验组成一个知识库，并构建模糊控制规则表。

然后由模糊化表和模糊规则表，设计控制表格,计算出对应的模糊控制量。

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第3章解耦方法的选择

3.1系统环境因子的研究

3.1.1温度对作物的影响

温度是影响农作物生长发育相当重要的环境因素之一。

农作物在整体的生长发育过程中所需要一切生物及化学反应，全都是在特定温度下发生的。

农作物生长发育良好的前提就是必须要在适合的温度范围内才生长，如果温度高于上限或者低于一定的温度值，那么农作物就会畸形生长或者无法生长和发育，甚至死亡。

所有农作物都有