解耦控制系统仿真设计.docx

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解耦控制系统仿真设计

综合性设计型实验报告

系别：

化工机械系班级：

10级自动化

（2）班2013—2014学年第一学期

学号

1020301027

忠坪

指导教师

王淑钦

课程名称

综合性设计型实验

实验名称

解耦控制系统仿真研究

实验类型

设计性

实验地点

实验时间

2013.12.16--2013.12.27

实验容：

（简述）

1、针对确定的双输入双输出控制对象模型，进行多变量控制系统耦合程度分析，计算相对增益，确定变量配对。

2、设计解耦控制器。

3、利用MATLABsimulink软件进行对象仿真研究，包括建立仿真框图和进行控制系统仿真，得出仿真结果曲线。

4、针对以上仿真结果进行比较分析，理解解耦控制器设计的意义和过程。

5、利用MATLABsimulink软件进行控制系统仿真研究，包括建立控制仿真框图建立和进行控制系统仿真，得出仿真结果曲线。

实验目的与要求：

1、掌握解耦控制的基本原理和实现方法。

2、学习利用模拟电路实现解耦控制及实验分析。

设计思路：

（设计原理、设计方案及流程等）

1、查阅资料确定一双输入双输出控制对象模型，分析多变量控制系统的耦合程度分析，计算相对增益，确定变量配对。

2、设计解耦控制器。

3、利用MATLABsimulink软件进行对象仿真研究，包括建立仿真框图和进行控制系统仿真，得出仿真结果曲线。

A、先完成不存在耦合时的仿真框图建立并得出仿真结果。

B、完成系统耦合时的仿真框图建立并得出仿真结果。

C、进行解耦控制仿真框图的建立并得出仿真结果。

4、针对以上仿真结果进行比较分析，理解解耦控制器设计的意义和过程。

5、利用MATLABsimulink软件进行控制系统仿真研究，包括建立控制仿真框图建立和进行控制系统仿真，得出仿真结果曲线。

A、针对单回路系统（无耦合）的系统进行控制系统仿真框图建立，得出仿真结果。

B、针对解耦之后的双输入双输出系统进行控制系统系统仿真框图建立，得出仿真结果。

C、对以上仿真结果进行分析。

关键技术分析：

1、耦合分析

采用相对增益法，先计算第一放大系数，再由第一放大系数直接计算第二放大系数，从而得到相对增益矩阵。

2、选用最佳的变量配对

选用适当的变量配对关系，也可以减少系统的耦合程度。

3、解耦设计

在耦合非常严重的情况下，最有效的方法是采用多变量系统的解耦设计。

解耦控制设计的主要任务是解除控制回路或系统变量之间的耦合。

4、仿真研究

利用MATLABsimulink软件进行仿真研究，包括建立控制仿真框图建立和进行控制系统仿真，得出仿真结果曲线，并对曲线进行比较分析。

实验过程：

（包括主要步骤、成果介绍、代码分析、实验分析等）

针对常见的精馏塔温度控制系统，描述系统输入输出的传递函数表示为：

-----

，其他参数不变，试利用对角阵解耦方法实现系统的过程控制。

（1）求系统相对增益以及系统耦合分析

由式

得系统静态放大系数矩阵为

即系统的第一放大系数矩阵为：

系统的相对增益矩阵为：

。

由相对增益矩阵可以得知，控制系统输入、输出的配对选择是正确的；通道间存在较强的相互耦合，应对系统进行解耦分析。

系统的输入、输出结构如下图所示

（2）确定解耦调节器

根据解耦数学公式求解对角矩阵，即

采用对角矩阵解耦后，系统的结构如下图所示：

解耦前后对象的simulink阶跃仿真框图及结果如下：

1）不存在耦合时的仿真框图和结果

图a不存在耦合时的仿真框图（上）和结果（下）

2）对象耦合Simulink仿真框图和结果

图b系统耦合Simulink仿真框图（上）和结果（下）

对比图a和图b可知，本系统的耦合影响主要体现在幅值变化和响应速度上，但影响不显著。

其实不进行解耦通过闭环控制仍有可能获得要求品质。

3）对角矩阵解耦后的仿真框图和结果

图c对角矩阵解耦后的仿真框图（上）和结果（下）

对比图a和图c可知，采用对角解耦器后系统的响应和不存在耦合结果一样，采用对角实现了系统解耦。

解耦后系统可按两个独立的系统进行分析和控制。

（3）控制器形式选择与参数整定

通过解耦，原系统已可看成两个独立的单输入输出系统。

考虑到PID应用的广泛性和系统无静差要求，控制器形式采用PI形式。

PI参数整定通过解耦的两个单输入输出系统进行，整定采取试误法进行。

当x1y1通道Kp=20，Ki=3时系统的阶跃响应如图：

当x2y2通道Kp=35，Ki=5时系统阶跃响应如图：

（4）系统仿真

采用对角矩阵解耦时，控制系统如下图所示：

为了比较解耦和不解耦两种情况，分别列出两种情况的Simulink框图和仿真结果。

不解耦时系统的Simulink仿真框图及结果（第二幅图中的响应曲线在t=1s处从上往下依次是通道x2y2的输入波形和响应波形、通道x1y1的输入波形和响应波形以及随机扰动波形）：

解耦时系统的Simulink仿真框图及结果（第二幅图中的响应曲线从上往下依次是通道x2y2的输入波形和响应波形、通道x1y1的输入波形和响应波形以及随机扰动波形）：

对比以上两条仿真曲线，系统解耦后系统的动态响应有了显著改善，由有超调振荡衰减过程变为无超调单调过程，系统阻尼比增大，调节时间变长。

实验总结：

通过这次实验，我深入的了解了双输入输出系统及其变量之间的相互耦合与影响，充分掌握了解耦控制的基本原理与解耦控制器的设计方法。

学生签名：

年月日

评语与成绩：

教师签名：

年月日

填写说明：

1．实验类型：

验证性、设计性或综合性。

2．表格不够填写，可抬高，增加页数。

3．签名、日期必须手写。