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1、綜合性設計型實驗報告系別：化工機械系班級：10級自動化（2）班2013—2014學年第一學期學號1020301027忠坪指導教師王淑欽課程名稱綜合性設計型實驗實驗名稱解耦控制系統(tǒng)仿真研究實驗類型設計性實驗地點實驗時間2013.12.16--2013.12.27實驗容：（簡述）1、針對確定的雙輸入雙輸出控制對象模型，進行多變量控制系統(tǒng)耦合程度分析，計算相對增益，確定變量配對。2、設計解耦控制器。3、利用MATLABsimulink軟件進行對象仿真研究，包括建立仿真框圖和進行控制系統(tǒng)仿真，得出仿真結果曲線。4、針對以上仿真結果進行比較分析，理解解
2、耦控制器設計的意義和過程。5、利用MATLABsimulink軟件進行控制系統(tǒng)仿真研究，包括建立控制仿真框圖建立和進行控制系統(tǒng)仿真，得出仿真結果曲線。實驗目的與要求：1、掌握解耦控制的基本原理和實現(xiàn)方法。2、學習利用模擬電路實現(xiàn)解耦控制及實驗分析。設計思路：（設計原理、設計方案及流程等）1、查閱資料確定一雙輸入雙輸出控制對象模型，分析多變量控制系統(tǒng)的耦合程度分析，計算相對增益，確定變量配對。2、設計解耦控制器。3、利用MATLABsimulink軟件進行對象仿真研究，包括建立仿真框圖和進行控制系統(tǒng)仿真，得出仿真結果曲線。A、先完成不存在耦合時
3、的仿真框圖建立并得出仿真結果。B、完成系統(tǒng)耦合時的仿真框圖建立并得出仿真結果。C、進行解耦控制仿真框圖的建立并得出仿真結果。4、針對以上仿真結果進行比較分析，理解解耦控制器設計的意義和過程。5、利用MATLABsimulink軟件進行控制系統(tǒng)仿真研究，包括建立控制仿真框圖建立和進行控制系統(tǒng)仿真，得出仿真結果曲線。A、針對單回路系統(tǒng)（無耦合）的系統(tǒng)進行控制系統(tǒng)仿真框圖建立，得出仿真結果。B、針對解耦之后的雙輸入雙輸出系統(tǒng)進行控制系統(tǒng)系統(tǒng)仿真框圖建立，得出仿真結果。C、對以上仿真結果進行分析。關鍵技術分析：1、耦合分析采用相對增益法，先計算第一放
4、大系數(shù)，再由第一放大系數(shù)直接計算第二放大系數(shù)，從而得到相對增益矩陣。2、選用最佳的變量配對選用適當?shù)淖兞颗鋵﹃P系，也可以減少系統(tǒng)的耦合程度。3、解耦設計在耦合非常嚴重的情況下，最有效的方法是采用多變量系統(tǒng)的解耦設計。解耦控制設計的主要任務是解除控制回路或系統(tǒng)變量之間的耦合。4、仿真研究利用MATLABsimulink軟件進行仿真研究，包括建立控制仿真框圖建立和進行控制系統(tǒng)仿真，得出仿真結果曲線，并對曲線進行比較分析。實驗過程：（包括主要步驟、成果介紹、代碼分析、實驗分析等）針對常見的精餾塔溫度控制系統(tǒng)，描述系統(tǒng)輸入輸出的傳遞函數(shù)表示為：---
5、--，其他參數(shù)不變，試利用對角陣解耦方法實現(xiàn)系統(tǒng)的過程控制。（1）求系統(tǒng)相對增益以及系統(tǒng)耦合分析由式得系統(tǒng)靜態(tài)放大系數(shù)矩陣為即系統(tǒng)的第一放大系數(shù)矩陣為：系統(tǒng)的相對增益矩陣為：。由相對增益矩陣可以得知，控制系統(tǒng)輸入、輸出的配對選擇是正確的；通道間存在較強的相互耦合，應對系統(tǒng)進行解耦分析。系統(tǒng)的輸入、輸出結構如下圖所示（2）確定解耦調節(jié)器根據(jù)解耦數(shù)學公式求解對角矩陣，即采用對角矩陣解耦后，系統(tǒng)的結構如下圖所示：解耦前后對象的simulink階躍仿真框圖及結果如下：1）不存在耦合時的仿真框圖和結果圖a不存在耦合時的仿真框圖（上）和結果（下）2）對象
6、耦合Simulink仿真框圖和結果圖b系統(tǒng)耦合Simulink仿真框圖（上）和結果（下）對比圖a和圖b可知，本系統(tǒng)的耦合影響主要體現(xiàn)在幅值變化和響應速度上，但影響不顯著。其實不進行解耦通過閉環(huán)控制仍有可能獲得要求品質。3）對角矩陣解耦后的仿真框圖和結果圖c對角矩陣解耦后的仿真框圖（上）和結果（下）對比圖a和圖c可知，采用對角解耦器后系統(tǒng)的響應和不存在耦合結果一樣，采用對角實現(xiàn)了系統(tǒng)解耦。解耦后系統(tǒng)可按兩個獨立的系統(tǒng)進行分析和控制。（3）控制器形式選擇與參數(shù)整定通過解耦，原系統(tǒng)已可看成兩個獨立的單輸入輸出系統(tǒng)。考慮到PID應用的廣泛性和系統(tǒng)無靜
7、差要求，控制器形式采用PI形式。PI參數(shù)整定通過解耦的兩個單輸入輸出系統(tǒng)進行，整定采取試誤法進行。當x1y1通道Kp=20，Ki=3時系統(tǒng)的階躍響應如圖：當x2y2通道Kp=35，Ki=5時系統(tǒng)階躍響應如圖：（4）系統(tǒng)仿真采用對角矩陣解耦時，控制系統(tǒng)如下圖所示：為了比較解耦和不解耦兩種情況，分別列出兩種情況的Simulink框圖和仿真結果。不解耦時系統(tǒng)的Simulink仿真框圖及結果（第二幅圖中的響應曲線在t=1s處從上往下依次是通道x2y2的輸入波形和響應波形、通道x1y1的輸入波形和響應波形以及隨機擾動波形）：解耦時系統(tǒng)的Simulink
8、仿真框圖及結果（第二幅圖中的響應曲線從上往下依次是通道x2y2的輸入波形和響應波形、通道x1y1的輸入波形和響應波形以及隨機擾動波形）：對比以上兩條仿真曲線，系統(tǒng)解
