解耦控制系統(tǒng)仿真Word版

1、綜合性設(shè)計型實驗報告 系別：化工機械系 班級：10級自動化（2）班 2013-2014學(xué)年第一學(xué)期 學(xué)號 1020301027 姓名李忠坪 指導(dǎo)教師 王淑欽 課程名稱 綜合性設(shè)計型實驗 實驗名稱 解耦控制系統(tǒng)仿真研究 實驗類型 設(shè)計性 實驗地點 實驗時間 2013. 12. 162013.12. 2 7 實驗內(nèi)容：（簡述） 1、針對確定的雙輸入雙輸出控制對象模型，進行多變量控制系統(tǒng)耦合程度分析，計 算相對增益，確定變量配對。 2、設(shè)計解耦控制器。 3、利用MATLAB simulink軟件進行對象仿真研究，包括建立仿真框圖和進行控制系統(tǒng)仿真，得 出仿真結(jié)果曲線。 4、針對以上仿真結(jié)果進行比較分

2、析，理解解耦控制器設(shè)計的意義和過程。 5、利用MATLAB simulink軟件進行控制系統(tǒng)仿貞研究，包括建立控制仿真框圖建立和進行控制 系統(tǒng)仿真，得岀仿真結(jié)果曲線。 實驗?zāi)康呐c要求： 1、掌握解耦控制的基本原理和實現(xiàn)方法。 2、學(xué)習(xí)利用模擬電路實現(xiàn)解耦控制及實驗分析。 設(shè)計思路：（設(shè)計原理、設(shè)計方案及流程等） 1、查閱資料確定一雙輸入雙輸岀控制對象模型，分析多變量控制系統(tǒng)的耦合程度分析，汁算相 對增益，確定變雖:配對。 2、設(shè)計解耦控制器。 3、利用MATLAB simulink軟件進行對象仿真研究，包括建立仿真框圖和進行控制系統(tǒng)仿真，得 出仿真結(jié)果曲線。 A、先完成不存在耦合時的仿真框圖建

3、立并得岀仿真結(jié)果。 B、完成系統(tǒng)耦合時的仿真框圖建立并得出仿真結(jié)果。 C、進行解耦控制仿真框圖的建立并得出仿真結(jié)果。 4、針對以上仿真結(jié)果進行比較分析，理解解耦控制器設(shè)il的意義和過程。 5、利用MATLAB simulink軟件進行控制系統(tǒng)仿真研究，包括建立控制仿真框圖建立和進行控制 系統(tǒng)仿真，得出仿真結(jié)果曲線。 A、針對單回路系統(tǒng)（無耦合）的系統(tǒng)進行控制系統(tǒng)仿真框圖建立，得出仿真結(jié)果。 B、針對解耦之后的雙輸入雙輸出系統(tǒng)進行控制系統(tǒng)系統(tǒng)仿真框圖建立，得出仿貞結(jié)果。 C、對以上仿真結(jié)果進行分析。 關(guān)鍵技術(shù)分析： 1、耦合分析 采用相對增益法，先計算第一放大系數(shù)，再由第一放大系數(shù)直接計算第二放

4、大系數(shù)，從而得 到相對增益矩陣。 2、選用最佳的變量配對 選用適當(dāng)?shù)淖兞颗鋵﹃P(guān)系，也可以減少系統(tǒng)的耦合程度。 3、解耦設(shè)計 在耦合非常嚴重的情況下，最有效的方法是采用多變量系統(tǒng)的解耦設(shè)計。解耦控制設(shè)訃的主 要任務(wù)是解除控制回路或系統(tǒng)變雖之間的耦合。 4、仿真研究 利用MATLAB simulink軟件進行仿真研究，包括建立控制仿真框圖建立和進行控制系統(tǒng)仿真, 得岀仿真結(jié)果曲線，并對曲線進行比較分析。 實驗過程：（包括主要步驟、成果介紹、代碼分析.實驗分析等） 針對常見的精飾塔溫度控制系統(tǒng)，描述系統(tǒng)輸入輸出的傳遞函數(shù)表示為: 11 0.5 75 + 1 35+1 X) 上（s）_ -5 0.3

5、冬($)_ .135 + 1 55 + 1. .其他參數(shù)不變，試利用對角陣解耦方法實現(xiàn)系統(tǒng) 的過程控制。 （1）求系統(tǒng)相對增益以及系統(tǒng)耦合分析 由式得系統(tǒng)靜態(tài)放大系數(shù)矩陣為 kJ ll 0.5_ ?21 -5 0.3_ 即系統(tǒng)的第一放大系數(shù)矩陣為：P= Al P12_ 褊% _11 0S .卩21卩22. 21 *22 -5 0.3 系統(tǒng)的相對增益矩陣為：A = 0.57 0.43 0.43 0.57 由相對增益矩陣可以得知，控制系統(tǒng)輸入、輸岀的配對選擇是正確的：通道間存在較強的相 互耦合，應(yīng)對系統(tǒng)進行解耦分析。 系統(tǒng)的輸入、輸岀結(jié)構(gòu)如下圖所示 （2）確定解耦調(diào)巧器 根據(jù)解耦數(shù)學(xué)公式求解對角矩

6、陣，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 采用對角矩陣解耦后，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示: 解耦前后對象的simulink階躍仿真框圖及結(jié)果如下: 1）不存在耦介時的仿貞框圖和結(jié)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 圖a不存在耦合時的仿真框圖（上）和結(jié)果（下） 2）對象耦合Simulink仿貞框圖和結(jié)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 圖b系統(tǒng)耦合Simul

8、ink仿真框圖（上）和結(jié)果（下） 對比圖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。 其實不進行解耦通過閉環(huán)控制仍有可能獲得要求品質(zhì)。 3）對角矩陣解耦后的仿真框圖和結(jié)果 12 Tire offset: 0 圖C對角矩陣解耦后的仿真框圖（上）和結(jié)果（下） 對比圖a和圖c可知，采用對角解耦器后系統(tǒng)的響應(yīng)和不存在耦合結(jié)果一樣，采用對角實 現(xiàn)了系統(tǒng)解耦。解耦后系統(tǒng)可按兩個獨立的系統(tǒng)進行分析和控制。 （3）控制器形式選擇與參數(shù)整左 通過解耦，原系統(tǒng)已可看成兩個獨立的單輸入輸出系統(tǒng)?？紤]到PID應(yīng)用的廣泛性和系統(tǒng)無 靜差要求，控制器形式采用PI形式。 PI參數(shù)整定通過解耦

9、的兩個單輸入輸出系統(tǒng)進行，整左采取試誤法進行。 當(dāng)xy通道Kf20, K：二3時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖： Time offset: 0 當(dāng)X決通道Kp=35, Kf5時系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖: 0.511.522.53 Time oTtset: （4）系統(tǒng)仿真 采用對角矩陣解耦時，控制系統(tǒng)如下圖所示: 不解耦時系統(tǒng)的Simulink仿真框圖及結(jié)果（第二幅圖中的響應(yīng)曲線在t=ls處從上往下依次 是通道衛(wèi)兀的輸入波形和響應(yīng)波形.通道X,%的輸入波形和響應(yīng)波形以及隨機擾動波形）： 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 解耦時系統(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 的輸入波形和響應(yīng)波形、通道冊幾的輸入波形和響應(yīng)波形以及隨機擾動波形）： 對比以上兩條仿真曲線，系統(tǒng)解耦后系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)有了顯著改善，由有超調(diào)振蕩衰減過程 變?yōu)闊o超調(diào)單調(diào)過程，系統(tǒng)阻尼比增大，調(diào)節(jié)時間變長。 實驗總結(jié)： 通過這次實驗，我深入的了解了雙輸