解耦控制系统仿真.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2023—2023学年第一学期学号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2023.12.16--2023.12.27实验内容：（简述）针对拟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限度分析，计算相对增益，拟定变量配对。设计解耦控制器。运用MATLABsimulink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、运用MATLABsimulink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，得出仿真结果曲线。实验目的与规定：1、掌握解耦控制的基本原理和实现方法。2、学习运用模拟电路实现解耦控制及实验分析。设计思绪：（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的耦合限度分析，计算相对增益，拟定变量配对。2、设计解耦控制器。3、运用MATLABsimulink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，得出仿真结果曲线。A、先完毕不存在耦合时的仿真框图建立并得出仿真结果。B、完毕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、运用MATLABsimulink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。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大系数，从而得到相对增益矩阵。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限度。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。解耦控制设计的重要任务是解除控制回路或系统变量之间的耦合。仿真研究运用MATLABsimulink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，得出仿真结果曲线，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达为：-----eq\o\ac(○,1)，其他参数不变，试运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eq\o\ac(○,1)得系统静态放大系数矩阵为即系统的第一放大系数矩阵为：系统的相对增益矩阵为：。由相对增益矩阵可以得知，控制系统输入、输出的配对选择是对的的；通道间存在较强的互相耦合，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）拟定解耦调节器根据解耦数学公式求解对角矩阵，即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图a不存在耦合时的仿真框图（上）和结果（下）对象耦合Simulink仿真框图和结果图b系统耦合Simulink仿真框图（上）和结果（下）对比图a和图b可知，本系统的耦合影响重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也许获得规定品质。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同样，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，原系统已可当作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规定，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，整定采用试误法进行。当x1y1通道Kp=20，Ki=3时系统的阶跃响应如图：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）：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）：对比以上