解耦控制新版系统仿真.doc

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 —第 一 学期
学号

姓名
李忠坪
指引教师
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
.12.16--.12.27
实验内容：（简述）
1、 针对拟定双输入双输出控制对象模型，进行多变量控制系统耦合限度分析，计算相对增益，拟定变量配对。
2、 设计解耦控制器。
3、 运用MATLAB simulink软件进行对象仿真研究，涉及建立仿真框图和进行控制系统仿真，得出仿真成果曲线。
4、针对以上仿真成果进行比较分析，理解解耦控制器设计意义和过程。
5、运用MATLAB simulink软件进行控制系统仿真研究，涉及建立控制仿真框图建立和进行控制系统仿真，得出仿真成果曲线。

实验目与规定：
1、掌握解耦控制基本原理和实现办法。
2、学习运用模仿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、查阅资料拟定一双输入双输出控制对象模型，分析多变量控制系统耦合限度分析，计算相对增益，拟定变量配对。
2、设计解耦控制器。
3、运用MATLAB simulink软件进行对象仿真研究，涉及建立仿真框图和进行控制系统仿真，得出仿真成果曲线。
A、先完毕不存在耦合时仿真框图建立并得出仿真成果。
B、完毕系统耦合时仿真框图建立并得出仿真成果。
C、进行解耦控制仿真框图建立并得出仿真成果。
4、针对以上仿真成果进行比较分析，理解解耦控制器设计意义和过程。
5、运用MATLAB simulink软件进行控制系统仿真研究，涉及建立控制仿真框图建立和进行控制系统仿真，得出仿真成果曲线。
A、针对单回路系统（无耦合）系统进行控制系统仿真框图建立，得出仿真成果。
B、针对解耦之后双输入双输出系统进行控制系统系统仿真框图建立，得出仿真成果。
C、对以上仿真成果进行分析。

核心技术分析：
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、 选用最佳变量配对
选用恰当变量配对关系，也可以减少系统耦合限度。
3、 解耦设计
在耦合非常严重状况下，最有效办法是采用多变量系统解耦设计。解耦控制设计重要任务是解除控制回路或系统变量之间耦合。
4、 仿真研究
运用MATLAB simulink软件进行仿真研究，涉及建立控制仿真框图建立和进行控制系统仿真，得出仿真成果曲线，并对曲线进行比较分析。
实验过程：（涉及重要环节、成果简介、代码分析、实验分析等）
针对常用精馏塔温度控制系统，描述系统输入输出传递函数表达为：
-----，其她参数不变，试运用对角阵解耦办法实现系统过程控制。
（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
即系统第一放大系数矩阵为：
系统相对增益矩阵为：。
由相对增益矩阵可以得知，控制系统输入、输出配对选取是对的；通道间存在较强互相耦合，应对系统进行解耦分析。
系统输入、输出构造如下图所示

（2）拟定解耦调节器
依照解耦数学公式求解对角矩阵，即

采用对角矩阵解耦后，系统构造如下图所示：

解耦先后对象simulink阶跃仿真框图及成果如下：
1）不存在耦合时仿真框图和成果

图a 不存在耦合时仿真框图（上）和成果（下）
2） 对象耦合Simulink仿真框图和成果

图b 系统耦合Simulink仿真框图（上）和成果（下）
对比图a和图b可知，本系统耦合影响重要体当前幅值变化和响应速度上，但影响不明显。其实不进行解耦通过闭环控制仍有也许获得规定品质。
3）对角矩阵解耦后仿真框图和成果

图c对角矩阵解耦后仿真框图（上）和成果（下）
对比图a和图c可知，采用对角解耦器后系统响应和不存在耦合成果同样，采用对角实现了系统解耦。解耦后系统可按两个独立系统进行分析和控制。
（3）控制器形式选取与参数整定
通过解耦，原系统已可当作两个独立单输入输出系统。考虑到PID应用广泛性和系统无静差规定，控制器形式采用PI形式。
PI参数整定通过解耦两个单输入输出系统进行，整定采用试误法进行。
当x1y1通道Kp=20，Ki=3时系统阶跃响应如图：

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状况，分别列出两种状况Simulink框图和仿真成果。
不解耦时系统Simulink仿真框图及成果（第二幅图中响应曲线在t=1s处从上往下依次是通道x2y2输入波形和响应波形、通道x1y1输入波形和响应波形以及随机扰动波形）：

解耦时系统Simulink仿真框图及成果（第二幅图中响应曲线从上往下依次是通道x2y2输入波形和响应波形、通道x1y1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，系统解耦后系统动态响应有了明显改进，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，我进一步理解了双输入输出系统及其变量之间互相耦合与影响，充分掌握理解耦控制基本原理与解耦控制器设计办法。

学生签名：

年 月 日
评语与成绩：

教师签名：

年 月 日
填写阐明：
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，增长页数。
3．签名、日期必要手写。