基于PID的温度控制系统的设计
本科毕业论文PID温控系统的设计及仿真
CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 本科生毕业论文题目PID温控系统的设计及仿真学生指导教师学院信息科学与工程学院专业班级完成时间年月摘要温度是工业控制的主要被控参数之一。
可是由于温度自身的一些特点，如惯性大，滞后现象严重，难以建立精确的数学模型等，给控制过程带来了难题。
要对温度进行控制，有很多方案可选。
PID 控制简单且容易实现，在大多数情况下能满足性能要求。
模糊控制的鲁棒性好，无需知道被控对象的数学模型，且在快速性方面有着自己的优势。
研究分析了PID 控制和模糊控制的优缺点，把两者相互结合，采用了用模糊规则整定P K 、I K 两个参数的模糊自整定PID 控制方法。
本研究以电烤箱为控制对象，用MATLAB 软件对PID 控制、模糊控制和参数模糊自整定PID 控制的控制性能分别进行了仿真研究。
仿真结果表明PID 对于对象模型复杂和模型难以确定的控制系统具有很大的局限性，不能满足调节时间短、超调小的技术要求。
由于模糊控制的理论（如量化因子和比例因子的确定问题）并不完善，其可能获得的控制性能无法把握，而且模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。
参数模糊自整定PID 控制吸收前两种方法的长处，满足了调节时间短、超调量为零且稳态误差较小的控制要求。
因此本论文最终确定采用参数模糊自整定PID 控制方案。
本系统硬件采用了以 AT89C52 单片机为核心的温度控制器，选用 k 型热电偶为温度传感器结合MAX6675芯片构成前向通道，同时双向晶闸管和SSR 构成后向通道，由按键、LED 数码显示器及报警单元等组成人机联系电路。
关键词：单片机，PID ，模糊控制，仿真ABSTRACTTemperature is one of the main parameters in the industrial process control.Yetthere are difficultiesto have a good control oftemperature becauseof the characteristics of the temperature itself:the temperature inertia is great, its time-lag is serious and it is hardto establish an accurate mathematical model.There are many methods to be selected in order to control a system. The PID controlis simple,easily realized andin most casesit meetsthe control demand. Fuzzy control has the advantage of quickness,itsrobustness is good and there is no needto know theobject ’smathematical model.This paper analyses the advantages and disadvantages of both PID control and fuzzycontrol and es to the method of bining them together,fuzzy self-tuningPID control. In this method,P K and I K of the PID controller are adjusted by fuzzy control rules ．In the paper simulations of PID control, fuzzy control and fuzzyself-tuning PID control are done by MATLAB to control a electric oven.Conclusions are that for those control objects of which models are plicated or hard to establish,the PID method has limitation and doesn ’t meet the control demand. As the fuzzy control method theory is not perfect, a good control performance cannot be expected. And it could easily cause the steady-state error for it is restricted by limited grades of the fuzzy rules.Finally the fuzzy self-tuning PID control method is selected, since it meets the control demands.In this paper AT89C52 is used as controller, toward access is posed of K which is used as the temperature sensor and MAX6675.Backward access is posed of bidirectional thyristor and SSR. Man-machine circuit is posed of keyboard, LED and warning unit, etc.Key words ：Micro Controller, PID Control, Fuzzy Control, Simulation目 录摘要IABSTRACTII第一章绪论11.1 课题的提出及意义11.2 控制系统背景介绍11.3 当代温控系统及智能算法2第二章温控系统的设计52.1 温控系统的总体设计52.1.1 温控系统设计的基本原则52.1.2 温控系统的结构及设计62.2 温控系统的硬件设计72.2.1 前向通道设计72.2.2 后向通道设计102.2.3 人机通道设计11小结15第三章系统控制方案163.1 PID 控制163.1.1 PID的概述163.1.2 PID 控制的基本理论及特点163.2 模糊控制183.2.1 模糊控制的概述183.2.2 模糊控制的基本原理及特点183.3 模糊PID 控制19小结21第四章仿真研究224.1 MATLAB及其模糊逻辑工具箱和仿真环境simulink224.2 仿真和优选234.2.1 控制对象模型234.2.2 仿真和方案选择25小结32第五章总结与展望335.1 主要工作容335.2 工作小结335.3 存在的问题及未来的方向34结束语35参考文献36第一章绪论1.1 课题的提出及意义温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。
数字pid控制系统设计方案
数字PID控制系统设计方案如下：一、引言PID控制器是一种常用的闭环控制算法，用于调节系统的输出以使系统稳定在设定值附近。
数字PID控制系统通过数字信号处理器（DSP）或单片机实现PID控制算法，具有灵活性高、易实现和调试等优点。
本文将介绍数字PID控制系统的设计方案，包括硬件连接、软件算法设计和系统调试等内容。
二、硬件设计1. 控制对象：确定待控制的物理对象或过程，例如电机转速、温度、液位等。
2. 传感器：选择合适的传感器获取待控量的反馈信号，如编码器、温度传感器、压力传感器等。
3. 执行器：选择合适的执行器，如电机、阀门等，用于调节系统输出。
4. 控制器：采用DSP或单片机作为数字PID控制器，负责计算PID 控制算法输出并控制执行器。
三、软件算法设计1. PID算法：根据系统特性和需求设计PID控制算法，包括比例项、积分项和微分项的权重和计算方法。
2. 离散化：将连续时间的PID算法离散化，适应数字控制器的运算方式。
3. 反馈控制：读取传感器反馈信号，计算PID输出，并控制执行器实现闭环控制。
四、系统调试1. 参数整定：通过实验和调试确定PID控制器中的比例系数、积分时间和微分时间等参数。
2. 稳定性测试：观察系统响应和稳定性，调整PID参数以提高系统性能。
3. 实时监测：实时监测系统输入、输出和误差信号，确保PID控制器正常工作。
五、性能优化1. 自适应控制：根据系统动态特性调整PID参数，实现自适应控制。
2. 鲁棒性设计：考虑系统模型不确定性和外部扰动，设计鲁棒性PID 控制算法。
3. 高级控制：结合模糊控制、神经网络等高级控制方法，优化系统性能。
六、总结数字PID控制系统设计是一项重要的控制工程任务，通过合理的硬件设计和软件算法实现，可以实现对各种控制对象的精确控制。
希望通过本文的介绍，读者能够了解数字PID控制系统的设计原理和实现方法，并在实践中不断提升控制系统设计和调试的能力。
《2024年基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统的研究》范文
《基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统的研究》篇一一、引言电锅炉温度控制系统作为工业生产、生活供暖等重要环节，其精确度和稳定性对于能源的有效利用及环境的舒适性有着重大影响。
传统的PID控制策略虽然能够在大多数情况下取得较好的控制效果，但面对非线性、时变、大时滞的电锅炉系统，其参数调整困难、抗干扰能力弱等问题日益突出。
为此，本文提出了一种基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统，旨在提高系统的响应速度和稳定性。
二、电锅炉温度控制系统概述电锅炉温度控制系统主要通过传感器检测锅炉内部温度，与设定温度进行比较后，通过控制器调整电锅炉的加热功率，实现对温度的精确控制。
由于系统存在非线性、时变等特性，传统的PID控制难以达到理想的控制效果。
因此，需要研究新的控制策略以提高系统的性能。
三、模糊PID控制策略研究模糊PID控制策略结合了模糊控制和PID控制的优点，通过引入模糊逻辑对PID参数进行在线调整，从而适应系统的非线性和时变性。
具体来说，该策略首先通过模糊推理系统对系统误差和误差变化率进行模糊化处理，然后根据模糊规则调整PID的三个参数（比例系数、积分系数和微分系数），最后通过解模糊化得到新的参数值。
四、电锅炉温度控制系统设计在电锅炉温度控制系统中，我们采用了基于模糊PID控制的策略。
首先，我们设计了模糊控制器，通过分析系统误差和误差变化率，得到合适的PID参数调整量。
然后，我们将模糊控制器与PID控制器相结合，形成模糊PID控制器。
该控制器能够根据系统的实时状态，自动调整PID参数，实现对电锅炉温度的精确控制。
五、系统实现与性能分析在电锅炉温度控制系统中实现了基于模糊PID控制的策略后，我们进行了性能测试。
测试结果表明，该系统具有以下优点：1. 响应速度快：系统能够在短时间内达到设定温度，并保持稳定。
2. 稳定性好：系统能够有效地抑制外界干扰，保持温度的稳定。
3. 抗干扰能力强：系统对参数变化和外界干扰具有较强的抵抗能力，能够保持稳定的控制效果。
基于单片机PID算法的电加热炉温度控制系统设计
基于单片机 PID算法的电加热炉温度控制系统设计摘要：电加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性，时变性，纯滞后等特点，其控温过程存在非线性波动等问题。
本文采用AT89C51单片机基于PID算法设计了一种电加热温度控制系统。
仿真实验表明，本系统能够有效提高电加热炉温度控制的鲁棒性，符合新形势下对炉温调控的实际需求。
关键词：电加热炉；温度控制；单片机；PID算法1引言电加热炉在冶金、化工、机械等领域具备广泛的用途，但是它是一个多时变、存在物理耦合、本质非线性的复杂系统，传统的基于滞后反馈的控制律无法平衡炉温检测与炉温调控之间的时间同步关系，容易造成整个加热炉炉温调控系统的温度非线性波动、间歇性振荡，引起炉温调控器的参数变化。
因此提高电加热炉的温度控制水平，是当今工业控制技术的主要研究方向之一。
常规控制方法难以实现较高的控制精度和响应速度。
相比之下，经典的增量PID控制算法，无需针对控制对象建立数学模型，便可实现较发复杂系统的精确控制。
本文基于PID算法，提出设计了一套电加炉控制方法，核心控制芯片采用AT89C51系列单片机，具备数据采集、调控、显示、报警等多项功能，实现了对温控系统的设计和模拟仿真，能有效改善电加热炉温度控制系统的性能。
2总体方案设计本系统采用以AT89C51单片机为核心的温度控制系统，通过温度传感器PT100采样实时温度，并通过变送器将温度最终转换为电压信号通过A/D转换器0808将其转换为数字信号，送入单片机与给定值进行比较，运用PID算法得出控制结果，送显示并进行控制（图1）。
图1 系统总体设计方案图2.1系统硬件选择单片机是指将微处理器、存储器和输入/输出接口电路集成在一块集成电路芯版上的单片微型计算机。
单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。
它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点。
单片机是微型计算机的一个重要分支，特别适合用于智能控制系统。
基于SMART200的温度PID控制系统设计与调试毕业设计
毕业设计题目基于SMART200的温度PID控制系统设计与调试毕业设计（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。
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名：日期：年月日导师签名：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。
基于PID算法的恒温控制系统设计
课程设计说明书题目：基于PID算法的恒温控制系统设计学号：姓名:指导教师:日期：目录一、设计题目 (1)二、设计要求 (1)三、设计思路 (1)四、实验设备 (1)五、硬件介绍 (1)六、硬件接线图 (2)七、软件流程图、 (4)八、PID参数确定 (5)九、实验总结 (6)附件：实验程序 (7)一、设计题目基于PID算法的恒温控制系统设计二、设计要求1.利用DS18B20采集温度并显示;2.利用单片机I/O管角输出PWM控制功率电阻发热;3.基于PID算法实现恒温控制。
三、设计思路本设计要求实时采集温度并实现恒温控制，根据设计要求,本次设计拟采用AT89C52单片机作为控制芯片，采集部分使用DS18B20温度传感器，显示部分采用数码管显示实时温度，功率电阻作为控制对象。
在PID算法的基础上完成恒温控制系统的设计。
四、实验设备单片机开发试验仪1台AT89C52单片机芯片1个DS18B20温度传感器1个C9013三极管1个1W功率二极管1个五、硬件介绍DS18B20：DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小,硬件开销低，抗干扰能力强,精度高的特点.DS18B20的主要特征：全数字温度转换及输出。
先进的单总线数据通信。
最高12位分辨率,精度可达土0。
5摄氏度。
12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。
可选择寄生工作方式。
检测温度范围为–55°C ~+125°C （–67°F ~+257°F）内置EEPROM，限温报警功能。
64位光刻ROM，内置产品序列号,方便多机挂接。
多样封装形式，适应不同硬件系统.DS18B20数据采集过程⑴GND 地信号⑵DQ 数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下,也可以向器件提供电源。
⑶VDD 可选择的VDD引脚.当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。
由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。
模糊PID温度控制系统的设计
模糊PID温度控制系统的设计摘要本文主要介绍了一种基于模糊控制理论的PID温度控制系统设计方法。
该系统采用模糊PID控制算法，通过模糊控制器实现温度的精确控制。
具体来说，该系统包括传感器模块、执行器模块、控制模块和人机交互模块等组成部分。
实验结果表明，该系统能够实现稳定的温度控制，并且具有良好的鲁棒性和适应性。
引言目前，温度控制在化工、食品、医疗等领域中得到广泛的应用。
传统的温度控制方法主要是PID控制，但是在实际应用中，由于受到环境因素的干扰和系统不稳定等因素的影响，传统PID控制方法很难达到精准控制的效果。
因此，需要寻求一种更为优越的控制方法。
模糊控制是一种新兴的控制方法，它能够应对复杂、不确定的系统，逐渐在实际控制中得到广泛的应用。
本文基于模糊控制理论，设计了一种基于模糊PID控制算法的温度控制系统。
系统设计本文所设计的基于模糊PID控制算法的温度控制系统主要由传感器模块、执行器模块、控制模块和人机交互模块等组成部分。
具体来说：1. 传感器模块：该模块主要用于检测系统当前的温度水平，将实时温度值传输给控制模块。
2. 执行器模块：该模块主要用于调节系统的设定温度值，当系统需要升温或降温时，执行器会自动按照预设程序进行调节。
3. 控制模块：该模块采用模糊PID控制算法，通过对实时温度值进行分析、处理、反馈等操作，来精确控制系统的温度。
4. 人机交互模块：该模块主要用于与用户进行交互，显示系统状态、设定温度值等信息，从而方便用户对系统进行监控和操作。
系统运行原理该系统的运行主要是通过控制模块实现的。
控制模块首先通过传感器模块获取实时温度值，然后对温度进行模糊处理，获取误差值。
根据误差值、温度变化率和误差变化率的大小，控制模块计算出最佳的控制信号，将该信号传输给执行器模块。
执行器模块接收到控制信号后，会根据信号的大小和方向调整系统的设定温度值，从而实现对温度的精确控制。
同时，控制模块会不断地根据实时温度值和设定温度值的差异进行检测和调整，直到系统达到稳定的温度水平。
基于模糊RBF神经网络PID的加热炉温度控制系统设计
方法
神经网络模糊PID控制方法是一种将神经网络与模糊逻辑相结合的控制策略。 该方法通过建立神经网络模糊PID控制器，利用神经网络的学习能力和模糊逻辑 的推理能力，实现加热炉温度的精准控制。下面将详细介绍神经网络模糊PID控 制方法的实现步骤：
1、建立神经网络模糊PID控制器
首先，需要构建一个神经网络模糊PID控制器，包括比例、积分和微分三个 基本控制器，并确定其参数。通过分析加热炉系统的动态特性，利用模糊逻辑理 论建立系统的模糊模型。
背景知识
模糊控制是一种基于模糊集合理论的控制方法，它通过模糊化输入信号，将 人类的控制经验转化为模糊规则，从而实现智能控制。RBF神经网络是一种具有 良好非线性逼近性能的神经网络，它由输入层、隐藏层和输出层组成。RBF神经 网络的输出权重是通过最小化误差平方和来确定的，这使得它对未知输入具有较 强的适应能力。
2、训练神经网络模糊PID控制器
为了提高控制器的性能，需要利用加热炉实际运行数据对控制器进行训练。 通过采集大量数据，并对其进行预处理和特征提取，作为神经网络的输入，然后 利用目标温度与实际温度的误差对控制器进行训练。
3、神经网络模糊PID控制器的实 现与优化
在训练完成后，将神经网络模糊PID控制器应用于实际加热炉控制系统。通 过实时采集加热炉的温度数据，利用控制器计算输出控制信号，以实现对加热炉 温度的精确控制。为了进一步提高控制效果，可采用优化算法对控制器参数进行 在线调整，以适应不同的工况条件。
硬件电路设计是实现加热炉温度控制系统的重要环节。本次演示设计的硬件 电路包括电源模块、加热器驱动模块、热电偶信号采集模块和人机界面等部分。 电源模块用于提供稳定的电源；加热器驱动模块根据控制器的指令调节加热器的 功率；热电偶信号采集模块负责采集炉温信号；人机界面便于用户实时查看炉温 及控制状态。
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基于PID的温度控制系统的设计
【摘要】本文详细阐述了基于单片机的温度控制系统的硬件组成、软件设计及相关的接口电路设计。
并且充分考虑了系统的可靠性，采取了相应的措施予以保证。
针对控制对象的特点，在系统辨识的基础上对系统的控制算法进行了仿真研究，并在单片机系统中实现了控制算法。
最后针对温控系统进行了实验，通过对实验数据的分析表明本文所述的基于单片机的温度控制系统的设计的合理性和有效性。
【关键词】单片机AT89S51；温度控制；数字PID控制
温度控制技术不仅在工业生产有着非常重要的作用，而且在日常生活中也起着至关重要的作用。
本文对系统进行硬件和软件的设计，在建立温度控制系统数学模型的基础之上，通过对PID控制的分析设计了系统控制器，完成了系统的软、硬件调试工作。
算法简单、可靠性高、鲁棒性好，而且PID控制器参数直接影响控制效果[1]。
1.系统概述
1.1 系统总体结构
该系统利用AT89S51丰富的外设模块搭建硬件平台。
系统的硬件电路包括：模拟部分和数字部分，基本电路由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块及控制执行模块等组成[2]。
1.2 系统工作流程
系统开始工作时，首先由单片机控制软件发出温度读取指令，通过数字温度传感器采集被控对象的当前温度值并送显示屏实时显示。
然后，将该温度测量值与设定值T比较，其差值送PID控制器。
PID控制器处理后输出一定数值的控制量，经D/A转换为模拟电压量，控制被控对象进行加热。
1.3 系统软件设计方法
整个系统软件设计包括管理程序和控制程序两部分，管理程序包括LED显示的动态刷新、控制指示灯、处理键盘的扫描和响应。
控制程序包括A/D转换、中值滤波、越限报警处理、PID计算等[4]。
2.系统硬件结构
2.1 电源电路的设计
系统所用直流电源由三端集成稳压器组成的串联型直流稳压电源提供。
设计
中选用了LM7805 LM7815和LM7915三个三端集成稳压器，提供+5V直流电压，输出电流均为1A。
变压器将220V的市电降压后再通过整流桥整流之后采用了大容量的电解电容进行滤波，以减小输出电压纹波。
电源电路图如图1所示。
2.2 复位电路设计
单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。
只有一个可靠的复位电路才能使系统避免出现了“死机”、“程序走飞”等现象。
电路图如图2所示。
图1 电源电路图
图2 复位电路图
图3 时钟电路图
2.3 时钟电路设计
本控制器采用的是内部振荡方式得到单片机的时钟信号，这种方式得到的时钟信号比较稳定。
图3为时钟电路。
2.4 可控硅输出电路
可控硅是一种功率半导体器件，简称SCR，也称晶闸管。
本部分为控制电加热炉功率的双向可控硅驱动电路，采用MOC3041作为驱动电路。
如图4所示。
图4 可控硅输出电路
图5 声光报警电路图
2.5 声光报警电路模块
某一通道的温度测量值超出预先设定的上、下限报警值或系统运行出现故障时，系统发出声光报警以提醒用户注意。
如图5所示。
3.系统软件设计
3.1 系统主程序设计
在反应器系统中，主程序的功能主要是设定程序执行过程中用到的相关变量，分配寄存器，对所需要的参数初始化，根据定时中断程序，调用相应的功能模块，完成一定的任务。
3.2 系统子程序设计
3.2.1 显示子程序
LED显示方式包括有静态和动态显示两种，动态扫描显示电路是将显示各位的所有相同字段线连在一起，由一个8位I/O口控制，而每一位的公共端（共阳或共阴COM）由另一个I/O口控制。
由于这种连接方式将每位相同字段的字段线连在一起，当输出字段码时，每一位将显示相同的内容。
因此，要想显示不同的内容，必须采取轮流显示的方式。
3.2.2 定时子程序
定时程序主要是用于完成查表的占空比控制。
总体思想是根据控制表中占空比控制变量U的不同取值，采用不同的定时来改变继电器的通断，根据继电器的特性，要求不能频繁通断，所以通断要有一定长的时间，但又要考虑到控制能够及时的根据新的采集值和设定值的变化来做出相应的动作。
4.控制方案
4.1 PID控制
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
4.2 PID参数整定
由于PID控制器的输出为系统偏差的比例、微分和积分作用后的线性组合，所以调整各个部分的线性系数就是PID控制器控制性能好坏的关键。
必须针对具体被控对象对PID控制器参数进行整定，采取扩充临界比例度法：
（a）选择合适的采样周期T。
所谓合适是指周期足够小，一般应选它对象的纯滞后时间的1/IO以下；
（b）仅让控制器作纯比例控制，由小到大逐渐增大比例系数Kp，直至使系统出现临界振荡，记下此时的临界振荡周期Ts和临界振荡增益Ks；
（c）选择合适的控制度。
所谓控制度，就是数字控制器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比；
（d）根据控制度查表。
4.3 Matlab仿真
通过对上述的整定方法的综合运用，整定后得到PID控制器的参数为：Kp=1.75，Ki=0.0125，Kd=3，在MATLAB/Simulink环境下建立温度控制系统的
仿真模型，如图6示。
仿真后得到系统的阶跃响应曲线如图7所示。
图6 仿真模型
图7 阶跃响应函数
从图7可以看到系统的阶跃响应的动态性能还是比较理想的，超调很小（响应峰值为1.017，超调量Q%=1.7%）。
从图8可以看到，系统的响应误差是也是比较小的（稳态误差为0.005），在系统要求的精度范围之内。
图8 响应误差
5.总结
系统采用模块化设计，扩展性强。
模块化设计，使控制器具有一定的通用性，而且运行安全可靠。
成本低，操作简单，体积小，安装方便，反应灵敏，控制精度高。
参考文献
[1]郑磊.基于DSP的PID温度控制系统[J].舰船电子工程，2007（2）：188-190.
[2]刘曙光，俊民竺，志超.模糊控制技术[M].中国纺织出版社，2001
[3]程武山.智能控制理论与应用[M].上海交通大学出版社，2006.
[4]张化光，何希勤.模糊自适应控制理论与应用[M].北京航空航天大学出版社，2002：1-17.。