解耦控制系统仿真

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姓名李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实验内容：（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。1C、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：1122110.5()()7131()50.3()13151YsXsssYsXsss-----○1，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○1得系统静态放大系数矩阵为11122122110.550.3kkkk即系统的第一放大系数矩阵为：1112111221222122110.550.3ppkkPppkk系统的相对增益矩阵为：0.570.430.430.57。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（2）确定解耦调节器根据解耦数学公式求解对角矩阵，即sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGPPPPPPPPPPPPPPPP22112111221222112112221122211211122222128.752.83.313.6530.151216.282.85.882544055128.752.83.3SSSSSSSSSS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3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4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：5当x2y2通道Kp=35，Ki=5时系统阶跃响应如图：6（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）：7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）：8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。