lzh综合设计型实验报告解耦控制系统设计Word下载.docx

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王淑钦

实验时间：

2013、12、16-2013、12、27

系别：

化工机械系班级：

10自动化

（1）2013—2014学年第一学期

学号

1020301016

姓名

李正智

指导教师

王淑钦老师

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

青海大学

实验时间

2013.12.16--2013.12.27

实验内容：

1.查阅资料确定一双输入双输出多变量控制对象数学模型，分析多变量控制对象的耦合程度，计算相对增益，确定变量配对。

2.针对多变量控制对象设计解耦控制器。

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。

实验目的与要求：

1.熟悉MATLABsimulink软件，利用该软件对实验对象进行仿真。

2.掌握控制系统的分析和设计过程。

3.掌握解耦控制的基本原理和实现方法。

4.通过系统仿真对不存在耦合时的系统、存在耦合时的系统、解耦控制系统、单回路控制系统进行比较分析。

设计思路：

（设计原理、设计方案及流程等）

1．设计原理

在现代化的工业生产中，不断出现一些较复杂的设备或装置，这些设备或装置的本身所要求的被控制参数往往较多，因此，必须设置多个控制回路对该种设备进行控制。

由于控制回路的增加，往往会在它们之间造成相互影响的耦合作用，也即系统中每一个控制回路的输入信号对所有回路的输出都会有影响，而每一个回路的输出又会受到所有输入的作用。

要想一个输入只去控制一个输出几乎不可能，这就构成了“耦合”系统。

由于耦合关系，往往使系统难于控制、性能很差。

解耦控制（decouplingcontrol）是一种多变量系统控制的有效手段。

解耦控制是指通过解耦环节，使存在耦合的被控过程中的每个控制变量的变化只影响与其配对的被控参数，而不影响其他控制回路的被控参数的过程。

解耦系统的目的是寻求适当的控制律，使输入输出相互关联的多变量系统实现每一个输出仅受相应的一个输入所控制，每一个输入也仅能控制相应的一个输出，以此构成独立的单回路控制系统，获得满意的控制性能。

由相对增益和系统耦合关系可以将解耦控制系统分为以下4类：

1.相对增益均为0（或1）通道间无耦合，可以根据相对增益显示的输入输出配对实现系统无耦合控制；

2.相对增益数值均接近于1（或0），通道间存在弱耦合，系统可近似按无耦合处理，要求较高时刻采取抗干扰措施实现良好解耦；

3.相对增益大于1（小于0），系统间存在正反馈，应对系统采取适当的整定措施消除正反馈；

4.相对增益在0.5附近，系统通道间存在强耦合，应采取解耦措施。

解耦控制的设计方法主要有三种：

1.前馈补偿解耦设计

　前馈解耦环节：

　根据不变性原理得：

　U1（s）G21（s）+U1（s）N21（s）G22（s）=0

　U2（s）G12（s）+U2（s）N12（s）G11（s）=0

　推出：

N21（s）=G21（s）/G22（s）

　N12（s）=-G12（s）/G11（s）

　将前馈解耦环节和整个控制系统有机的结合在一起，在经过等效变化即可直观的看到消除耦合的效果。

2.对角矩阵解耦设计

其具体思路是解耦环节的传递函数N（s）与被控过程的传递函数G（s）的乘积Gp（s）成为对角阵，消除多变量被控过程变量之间的相互耦合。

3.单位矩阵解耦设计

　与对角矩阵解耦设计大同小异。

2．设计方案与流程

1.选取两个多变量对象，分别进行对象耦合分析。

2.通过耦合对象分析，设计解耦控制器（采用对角矩阵法）。

3.利用MATLABsimulink仿真软件进行解耦控制系统仿真研究：

（1）不存在耦合时的仿真框图建立及仿真。

（2）存在耦合时的仿真框图建立及仿真。

（3）解耦控制时的仿真框图建立及仿真。

（4）单变量单回路控制系统的仿真框图建立及仿真。

（5）耦合对象单回路控制系统的仿真框图建立及仿真。

（6）解耦之后的双输入双输出控制系统的仿真框图建立及仿真。

4.针对以上多变量系统仿真进行实验分析。

3．实验结果分析（通过仿真实验结果进行分析总结）

关键技术分析：

1.分析多变量控制对象耦合程度，计算相对增益。

2.利用解耦原理，针对对象特性进行解耦控制器设计，完成系统框图的建立。

3.完成控制系统仿真实验。

实验过程：

（包括主要步骤、成果介绍、代码分析、实验分析等）

1．某二元精馏塔解耦控制系统分析及仿真实验

1.经查阅集料，某二元精馏塔的输入输出关系为：

（1）

2.求系统相对增益以及系统耦合分析

由式

（1）得系统静态放大系数矩阵为

系统的相对增益矩阵为：

由相对增益可看出此系统是一个负耦合系统

3.确定解耦控制器

根据解耦数学公式求解对角矩阵：

4.理论知识学习负耦合系统是难以消除耦合的，以下进行控制系统框图建立与仿真进行验证

（1）不存在耦合时的仿真框图建立及仿真结果

系统开环时，当变量一的阶跃输入为1时，输出先慢慢增大，到90s时增大到12.8稳定。

系统开环时，当变量二的阶跃输入为1时，输出先慢慢减小，到70s时减小到-19.4稳定。

（2）存在耦合时的仿真框图建立及仿真结果

当耦合多变量系统的变量一阶跃输入为1是，输出先慢慢减小，到100s时减小到-6.1稳定，这与开环特性时的输出结果不一致，说明该输出结果被其他对象所干扰，是一个负耦合系统。

当耦合多变量系统的变量二阶跃输入为1是，输出先慢慢减小，到90s时减小到-12.8稳定，开环特性时的输出增益不一致，说明该输出结果被其他对象所干扰。

（3）解耦控制时的仿真框图建立及仿真结果

设计解耦控制器之后，变量一的阶跃输入为1时，输出先慢慢减小，到100s时减小到-100.5时稳定，结果与开环特性不一致，说明设计的解耦控制器没有达到解除耦合的作用。

设计解耦控制器之后，变量二的阶跃输入为1时，输出先慢慢减小，到90s时减小到-139.8时稳定，结果与开环特性不一致，说明对负耦合系统设计的解耦控制器没有达到解除耦合的作用。

2．某船舶动力解耦控制系统分析及仿真实验

1.经查阅集料，本实验选取为水力测功器模拟舰船螺旋桨同8一300型柴油机构成一套舰船动力一推进模拟装置。

由于涉及到柴油机和水力测功器两个工作环节，采用较为简单的双变量控制方式,进行控制系统设计，控制系统如图1所示。

图1双输入双输出控制系统简图

其中，双输入变量为柴油机操纵手柄位置控制和水力测功器进水阀开度位置控制，双输出变量为柴油机输出转速和水力测功器输出扭矩。

首先要进行系统变量间的相互关联分析,若耦合严重,则需采用解耦控制方式。

初步选择输入x1、x2分别对应输出y1、y2。

其中x1表示柴油机操纵手柄位置，x2表示水力测功器进水阀开度位置。

系统输入、输出之间的传递关系为：

由相对增益矩阵可以看出，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。

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。

4.进行控制系统框图建立与仿真

系统开还时，当变量一的阶跃输入为1时，输出先慢慢增大，到65s时增大到25.3时稳定。

系统开还时，当变量二的阶跃输入为1时，输出先慢慢增大，到55s时增大到12.6时稳定。

当耦合多变量系统的变量一阶跃输入为1是，输出先慢慢增大，到100s时增大到40.1稳定，这与开环特性时的输出结果不一致，说明该输出结果被其他对象所干扰。

当耦合多变量系统的变量二阶跃输入为1是，输出先减小后增大，到55s时在-1.1稳定，这与开环特性时的输出结果不一致，说明该输出结果被其他对象所干扰，对象间存在耦合现象。

（3）解耦控制时的仿真框图建立及仿真结果

对耦合对象串接设计的解耦控制器时，当变量一的阶跃输入为1时，输出先慢慢增大，到60s时增大到25.3时稳定，这与开环特性输出结果几乎一致，说明解耦控制器达到解耦的效果。

对耦合对象串接设计的解耦控制器时，当变量二的阶跃输入为1时，输出先增大，到65s时增大到12.6时稳定，这与开环特性输出结果几乎一致，速度稍变慢，说明解耦控制器达到解耦的效果。

（4）单变量单回路控制系统的仿真框图建立及仿真结果

系统开环时，对变量一采用比例控制（Kp=30），在阶跃输入为1时，输出慢慢增大，到1.08s时增大到1时稳定，达到控制效果。

系统开环时，对变量二采用比例控制器（Kp=30），在阶跃输入为1时，输出慢慢增大，到1.15s时增大到1时稳定，达到控制效果。

（5）耦合对象单回路控制系统的仿真框图建立及仿真结果

对耦合对象采用比例控制（Kp=30），变量一在阶跃输入为1时，输出有超调，到1.1s时在1稳定，这与开环控制系统的输出结果不一致说明对于耦合对象，采用同样的控制器不能达到同样的理想效果。

对耦合对象采用PID控制（Kp=30，Ki=10，Kd=3），变量一在阶跃输入为1时，输出先增大，到1.1s时在1稳定，达到控制效果。

对耦合对象采用比例控制（Kp=30），变量二在阶跃输入为1时，输出有超调，到1.13s时在1稳定，这与开环控制系统的输出结果不一致，说明对于耦合对象，采用同样的控制器不能达到同样的理想效果。

对耦合对象采用PID控制（Kp=30，Ki=40，Kd=10），变量二在阶跃输入为1时，输出到4s时在1稳定，不能达到开环时的控制效果，速度较慢。

（6）解耦之后的双输入双输出控制系统的仿真框图建立及仿真结果

对串接了解耦控制器的耦合对象采用比例控制（Kp=30），变量一在阶跃输入为1时，输出慢慢增大，到1.08s增大到1时稳定，这与系统开环控制时的输出结果一致，说明串接解耦控制器后，采用同样的控制器，系统输出能达到开环控制时理想效果。

对串接了解耦控制器的耦合对象采用比例控制（Kp=30），变量二在阶跃输入为1时，输出慢慢增大，到1.15s增大到1时稳定，这与系统开环控制时的输出结果一致，说明串接解耦控制器后，采用同样的控制器，系统输出能达到开环控制时理想效果。

实验总结：

本实验针对二元精馏塔系统和舰船动力系统分别进行了分析、设计和仿真，通过整体过程熟悉了多变量系统的分析过程，掌握了解耦控制的基本原理和解耦控制器的设计方法，并用MATLABsimulink软件完成了系统框图的建立和仿真，从而得到以下结论：

一．对于二元精馏塔系统

1.当两系统分别投入运行时，系统能正常工作。

2.由于有一对相对增益为-1.009，则说明此系统为负耦合系统，理论上是无法达到解耦效果。

3.当用对角矩阵法设计解耦控制器并串接在系统中时，对于负耦合系统，没产生影响，说明不能解除耦合。

4.对于负耦合系统，可采用反向解耦控制。

二．对于舰船动力系统

1.对于水力测功器模拟舰船螺旋桨同8一300型柴油机构成一套舰船动力一推进模拟装置，相对增益为0.6和0.4的各一对，说明柴油机操纵手柄位置和水力测功器进水阀开度位置是是相互关联的，当两个控制系统分别投入运行时，各控制系统正常工作。

但两个控制系统同时运行时，柴油机操纵手柄位置或水力测功器进水阀开度位置地变化，不仅对各自的系统有影响，也对另一个控制系统由影响，两变量之间产生了干扰。

2.当对其系统用对角矩阵法设计解耦控制器，并串接在系统当中时，能有效的解除两变量之间的耦合关系，能达到系统分别运行时的理想效果。

说明对于正耦合系统，用对角矩阵法设计解耦控制器并串接在系统中时，能有效的解除耦合，达到两系统分别运行时的效果。

3.对于其对象，采用单变量单回路比例控制时，能快速有效的调节到系统的理想输出结果。

4.对于耦合对象采用比例控制器时，输出结果与开环时的控制效果不一致，说明对于耦合对象采用同样的控制器不能达到同样的控制效果。

5.对于解耦之后的系统，采用比例控制时，能快速有效的调节到系统的理想输出结果，能达到单回路控制时的效果，说明串接解耦控制器之后，比例控制仍然有效。

学生签名：

年月日

评语与成绩：

教师签名：