解耦控制新版系统仿真
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。