解耦控制系统仿真Word版

1、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. 162013.12. 2 7 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MATLAB simulink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

2、析，理解解耦控制器设计的意义和过程。 5、利用MATLAB simulink软件进行控制系统仿貞研究，包括建立控制仿真框图建立和进行控制 系统仿真，得岀仿真结果曲线。 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岀控制对象模型，分析多变量控制系统的耦合程度分析，汁算相 对增益，确定变虽:配对。 2、设计解耦控制器。 3、利用MATLAB simulink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

3、立并得岀仿真结果。 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il的意义和过程。 5、利用MATLAB simulink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，得出仿貞结果。 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

4、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。解耦控制设讣的主 要任务是解除控制回路或系统变虽之间的耦合。 4、仿真研究 利用MATLAB simulink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, 得岀仿真结果曲线，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） 针对常见的精饰塔温度控制系统，描述系统输入输出的传递函数表示为: 11 0.5 75 + 1 35+1 X) 上（s）_ -5 0.3

5、冬($)_ .135 + 1 55 + 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 由式得系统静态放大系数矩阵为 kJ ll 0.5_ ?21 -5 0.3_ 即系统的第一放大系数矩阵为：P= Al P12_ 褊% _11 0S .卩21卩22. 21 *22 -5 0.3 系统的相对增益矩阵为：A = 0.57 0.43 0.43 0.57 由相对增益矩阵可以得知，控制系统输入、输岀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、输岀结构如下图所示 （2）确定解耦调巧器 根据解耦数学公式求解对角矩

6、阵，即 GpM（$） Gpjy） Gp2i（$）Gp22（s）. Gp（s）Gp22（S） Gp（5）Gp22（s）- Gp|2（SDn（s） .- Gpii（5）Gp2I（5） -Gp12（5）Gp22（5） GpOCpyO . _112&7S?+528S + 33 -13.65S2-35 - 05 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）不存在耦介时的仿貞框图和结果 216.2S2+82.85 + 5.882552+4405 + 55128.7S2+52.8S + 3.3 !1 i1 i1 i1 i11 11 11 1 10

7、8 6 4 2 n ； 、 ； 、 : IB *i ii Ii ii ii1 1 1 1i 1 - 0102030405060708090100 Time offset: 0 图a不存在耦合时的仿真框图（上）和结果（下） 2）对象耦合Simulink仿貞框图和结果 I ii i i i i i i i in a -.a / - - 1 U 5 / f / ( JT f : - I J a f J f J* / f I 1* . 0 1 1 i 1 t 1*11 t B f ( ) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Time offset: 0 图b系统耦合Simul

8、ink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 12 Tire offset: 0 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左 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

9、的两个单输入输出系统进行，整左采取试误法进行。 当xy通道Kf20, K：二3时系统的阶跃响应如图： Time offset: 0 当X決通道Kp=35, Kf5时系统阶跃响应如图: 0.511.522.53 Time oTtset: （4）系统仿真 采用对角矩阵解耦时，控制系统如下图所示: 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=ls处从上往下依次 是通道卫兀的输入波形和响应波形.通道X,%的输入波形和响应波形以及随机扰动波形）： 1.2 1 卜j II 1 1 0.8 0.6 0 4 0.2 0 02( Tmc of T r I I i I i I i i 1 i 1 1 )1234567891 fct: 0 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 的输入波形和响应波形、通道册几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