解耦控制系統(tǒng)仿真

1、 綜合性設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)報(bào)告系別：化工機(jī)械系 班級(jí)：10級(jí)自動(dòng)化（2）班 20132014學(xué)年第 一 學(xué)期學(xué)號(hào)1020301027姓名 李忠坪指導(dǎo)教師 王淑欽課程名稱 綜合性設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱解耦控制系統(tǒng)仿真研究實(shí)驗(yàn)類型設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（簡(jiǎn)述）1、 針對(duì)確定的雙輸入雙輸出控制對(duì)象模型，進(jìn)行多變量控制系統(tǒng)耦合程度分析，計(jì)算相對(duì)增益，確定變量配對(duì)。2、 設(shè)計(jì)解耦控制器。3、 利用MATLAB simulink軟件進(jìn)行對(duì)象仿真研究，包括建立仿真框圖和進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真，得出仿真結(jié)果曲線。4、針對(duì)以上仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，理解解耦控制器設(shè)計(jì)的意義和過(guò)程。5、利用MATLAB simulink軟

2、件進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真研究，包括建立控制仿真框圖建立和進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真，得出仿真結(jié)果曲線。實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：1、掌握解耦控制的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。2、學(xué)習(xí)利用模擬電路實(shí)現(xiàn)解耦控制及實(shí)驗(yàn)分析。設(shè)計(jì)思路：（設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方案及流程等）1、查閱資料確定一雙輸入雙輸出控制對(duì)象模型，分析多變量控制系統(tǒng)的耦合程度分析，計(jì)算相對(duì)增益，確定變量配對(duì)。2、設(shè)計(jì)解耦控制器。3、利用MATLAB simulink軟件進(jìn)行對(duì)象仿真研究，包括建立仿真框圖和進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真，得出仿真結(jié)果曲線。 A、先完成不存在耦合時(shí)的仿真框圖建立并得出仿真結(jié)果。 B、完成系統(tǒng)耦合時(shí)的仿真框圖建立并得出仿真結(jié)果。 C、進(jìn)行解耦控制仿真框圖的建立

3、并得出仿真結(jié)果。4、針對(duì)以上仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，理解解耦控制器設(shè)計(jì)的意義和過(guò)程。5、利用MATLAB simulink軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真研究，包括建立控制仿真框圖建立和進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真，得出仿真結(jié)果曲線。 A、針對(duì)單回路系統(tǒng)（無(wú)耦合）的系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真框圖建立，得出仿真結(jié)果。 B、針對(duì)解耦之后的雙輸入雙輸出系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)系統(tǒng)仿真框圖建立，得出仿真結(jié)果。C、對(duì)以上仿真結(jié)果進(jìn)行分析。關(guān)鍵技術(shù)分析：1、耦合分析采用相對(duì)增益法，先計(jì)算第一放大系數(shù)，再由第一放大系數(shù)直接計(jì)算第二放大系數(shù)，從而得到相對(duì)增益矩陣。2、 選用最佳的變量配對(duì)選用適當(dāng)?shù)淖兞颗鋵?duì)關(guān)系，也可以減少系統(tǒng)的耦合程度。3、 解耦設(shè)

4、計(jì)在耦合非常嚴(yán)重的情況下，最有效的方法是采用多變量系統(tǒng)的解耦設(shè)計(jì)。解耦控制設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是解除控制回路或系統(tǒng)變量之間的耦合。4、 仿真研究 利用MATLAB simulink軟件進(jìn)行仿真研究，包括建立控制仿真框圖建立和進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真，得出仿真結(jié)果曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行比較分析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：（包括主要步驟、成果介紹、代碼分析、實(shí)驗(yàn)分析等）針對(duì)常見(jiàn)的精餾塔溫度控制系統(tǒng)，描述系統(tǒng)輸入輸出的傳遞函數(shù)表示為：-，其他參數(shù)不變，試?yán)脤?duì)角陣解耦方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過(guò)程控制。（1）求系統(tǒng)相對(duì)增益以及系統(tǒng)耦合分析由式得系統(tǒng)靜態(tài)放大系數(shù)矩陣為即系統(tǒng)的第一放大系數(shù)矩陣為：系統(tǒng)的相對(duì)增益矩陣為：。 由相對(duì)增益矩陣可以得知，控

5、制系統(tǒng)輸入、輸出的配對(duì)選擇是正確的；通道間存在較強(qiáng)的相互耦合，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦分析。系統(tǒng)的輸入、輸出結(jié)構(gòu)如下圖所示 （2）確定解耦調(diào)節(jié)器根據(jù)解耦數(shù)學(xué)公式求解對(duì)角矩陣，即采用對(duì)角矩陣解耦后，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：解耦前后對(duì)象的simulink階躍仿真框圖及結(jié)果如下：1）不存在耦合時(shí)的仿真框圖和結(jié)果 圖a 不存在耦合時(shí)的仿真框圖（上）和結(jié)果（下）2） 對(duì)象耦合Simulink仿真框圖和結(jié)果圖b 系統(tǒng)耦合Simulink仿真框圖（上）和結(jié)果（下）對(duì)比圖a和圖b可知，本系統(tǒng)的耦合影響主要體現(xiàn)在幅值變化和響應(yīng)速度上，但影響不顯著。其實(shí)不進(jìn)行解耦通過(guò)閉環(huán)控制仍有可能獲得要求品質(zhì)。3）對(duì)角矩陣解耦后的仿真框

6、圖和結(jié)果圖c對(duì)角矩陣解耦后的仿真框圖（上）和結(jié)果（下） 對(duì)比圖a和圖c可知，采用對(duì)角解耦器后系統(tǒng)的響應(yīng)和不存在耦合結(jié)果一樣，采用對(duì)角實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)解耦。解耦后系統(tǒng)可按兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行分析和控制。（3）控制器形式選擇與參數(shù)整定通過(guò)解耦，原系統(tǒng)已可看成兩個(gè)獨(dú)立的單輸入輸出系統(tǒng)。考慮到PID應(yīng)用的廣泛性和系統(tǒng)無(wú)靜差要求，控制器形式采用PI形式。PI參數(shù)整定通過(guò)解耦的兩個(gè)單輸入輸出系統(tǒng)進(jìn)行，整定采取試誤法進(jìn)行。當(dāng)x1y1通道Kp=20，Ki=3時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖：當(dāng)x2y2通道Kp=35，Ki=5時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖：（4）系統(tǒng)仿真采用對(duì)角矩陣解耦時(shí)，控制系統(tǒng)如下圖所示：為了比較解耦和不解耦兩種情況，分別列出兩種情況的Simulink框圖和仿真結(jié)果。不解耦時(shí)系統(tǒng)的Simulink仿真框圖及結(jié)果（第二幅圖中的響應(yīng)曲線在t=1s處從上往下依次是通道x2y2的輸入波形和響應(yīng)波形、通道x1y1的輸入波形和響應(yīng)波形以及隨機(jī)擾動(dòng)波形）：解耦時(shí)系統(tǒng)的Simulink仿真框圖及結(jié)果（第二幅圖中的響應(yīng)曲線從上往下依次是通道x2y2的輸入波形和響應(yīng)波形、通道x1y1的輸入波形和響應(yīng)波形以及隨機(jī)擾動(dòng)波形）： 對(duì)比以上兩條仿真曲線，系統(tǒng)解耦后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有了顯著改善，由有超調(diào)振蕩衰減過(guò)程變?yōu)闊o(wú)超調(diào)單調(diào)過(guò)程，系統(tǒng)阻尼比增大，調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)總結(jié)： 通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我深入的了解了雙輸入輸出系統(tǒng)及其變量之間的相互耦合