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摘 要

燃气热水器已经作为家用电器得到广泛的应用，其温度控制性能很大程度上决定了用户的使用体验。然而在实际使用中，由于系统会受到种种干扰的影响，传统控制方法的恒温效果并不理想，这极大地影响了用户在使用过程中的舒适性，因此设计一种抗干扰性能良好的温度控制方法很有必要。干扰观测器是一种抗干扰性能良好的算法，通过对外部干扰以及实际对象与标称模型之间的差异进行估计，在控制中引入前馈补偿，实现对干扰的完全抑制。

本文用热平衡方程建立燃气热水器的温度控制系统数学模型，在不考虑时滞的情况下，设计了干扰观测器对系统干扰进行估计，并且利用该估计值实现前馈补偿设计。在考虑时滞的情况下，设计通信干扰观测器对系统的干扰进行估计，并且利用该估计值实现时滞情况下的前馈补偿设计。利用MATLAB软件的simulink工具，搭建了燃气热水器温度控制系统的模型，对采用干扰观测器和通信干扰观测器的燃气热水器温度控制算法进行设计和调整参数，并分别与传统PID控制算法的仿真结果进行对比和稳态性能、动态性能分析。

关键词：燃气热水器，干扰观测器，通信干扰观测器，simulink

Abstract

Gas water heaters have been widely used as household appliances, and their temperature control performance largely determines the user experience. However, in practice, because the system will be affected by a variety of interference, the traditional control method of constant temperature effect is not ideal, which greatly affects the user in the use of comfort, so it is necessary to design a good disturbance rejection performance of the temperature control method. The disturbance observer is an algorithm with good disturbance rejection performance. It estimates the external disturbance and the difference between the actual object and the nominal model, and introduces feedforward compensation into the control to achieve complete suppression of the interference.

In this paper, the mathematical model of temperature control system of gas water heater is established by heat balance equation. The disturbance observer is designed to estimate the disturbance of the system without considering the time delay, and the feedforward compensation design is realized by using the estimation. Considering the time delay, a communication disturbance observer is designed to estimate the disturbance of the system, and the estimated value is used for the feedforward compensation design with time delay. The model of gas water heater temperature control system is built by simulink tool of MATLAB software, the design and parameters adjustment of gas water heater temperature control algorithm using disturbance observer and communication disturbance observer are carried out, and the simulation results of traditional PID control algorithm are compared and the steady-state performance and dynamic performance are analyzed.

KEY WORDS: gas water heater, disturbance observer, communication disturbance observer, simulink

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 燃气热水器概况‌ 1

1.1.1 燃气热水器简介‌ 1

1.1.2 燃气热水器的发展趋势及现有温控方案 1

1.2 干扰观测器简介‌ 2

1.3 本文主要工作 3

第二章 燃气热水器温度控制系统分析 4

2.1 燃气热水器温度控制系统建模 4

2.2 燃气热水器性能指标要求 6

2.3 燃气热水器控制算法设计要求 7

第三章 采用PID控制的燃气热水器温度控制方法 9

3.1 PID控制方法‌ 9

3.1.1 PID控制的基本原理‌ 9

3.1.2 PID控制器参数整定 10

3.2 采用PI控制的温度控制方法及simulink仿真 11

3.2.1 不考虑时滞的PI温度控制 11

3.2.2 考虑时滞的PI温度控制 14

第四章 采用干扰观测器燃气热水器温度控制方法 15

4.1 干扰观测器的结构‌ 15

4.2 基于干扰观测器控制(DOBC)系统的设计‌ 16

4.3 基于P-DOB的温度控制系统仿真设计 17

第五章 采用通信干扰观测器的燃气热水器温度控制 21

5.1 Smith预估器简介 21

5.2 通信干扰观测器(CDOB)简介 22

5.2.1 CDOB有效性论证 22

5.2.2 CDOB的设计 23

5.3 温度控制的时滞补偿设计与仿真 24

5.4 采用P-CDOB的时滞温度控制设计与仿真 25

第六章 总结与展望 30

6.1 本文工作总结 30

6.2 提高与展望总结 30

参考文献 31

致 谢 33

绪论

燃气热水器概况‌

燃气热水器简介‌

燃气热水器是一种通过燃烧人工煤气、天然气、液化石油气等气体燃料，将热量传递到热交换器的冷水，从而达到制备热水目的的家用小型热力设备，以其体积小、加热块、成本低等优点越来越被大众所接受。

燃气热水器有如下分类方式，‌按给排气方式可分为自然排气式（烟道式）、自然给排气式（平衡式）、强制排气式（强排式）、强制给排气式，‌按用途可分为供热水型、供暖型和两用型。

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