解耦控制系统仿真设计.docx
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解耦控制系统仿真设计.docx
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解耦控制系统仿真设计
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2013—2014学年第一学期
学号
1020301027
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
2013.12.16--2013.12.27
实验容:
(简述)
1、针对确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程度分析,计算相对增益,确定变量配对。
2、设计解耦控制器。
3、利用MATLABsimulink软件进行对象仿真研究,包括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、利用MATLABsimulink软件进行控制系统仿真研究,包括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。
实验目的与要求:
1、掌握解耦控制的基本原理和实现方法。
2、学习利用模拟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、查阅资料确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程度分析,计算相对增益,确定变量配对。
2、设计解耦控制器。
3、利用MATLABsimulink软件进行对象仿真研究,包括建立仿真框图和进行控制系统仿真,得出仿真结果曲线。
A、先完成不存在耦合时的仿真框图建立并得出仿真结果。
B、完成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、利用MATLABsimulink软件进行控制系统仿真研究,包括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。
2、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程度。
3、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。
解耦控制设计的主要任务是解除控制回路或系统变量之间的耦合。
4、仿真研究
利用MATLABsimulink软件进行仿真研究,包括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:
(包括主要步骤、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示为:
-----
,其他参数不变,试利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
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、输出的配对选择是正确的;通道间存在较强的相互耦合,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)确定解耦调节器
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)
2)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,本系统的耦合影响主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可能获得要求品质。
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一样,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,原系统已可看成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要求,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,整定采取试误法进行。
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):
对比以上两条仿真曲线,系统解耦后系统的动态响应有了显著改善,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,我深入的了解了双输入输出系统及其变量之间的相互耦合与影响,充分掌握了解耦控制的基本原理与解耦控制器的设计方法。
学生签名:
年月日
评语与成绩:
教师签名:
年月日
填写说明:
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,增加页数。
3.签名、日期必须手写。
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- 控制系统 仿真 设计
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