实验四 解耦控制系统仿真分析.docx

"实验四 解耦控制系统仿真分析.docx" 本实验报告的主要内容是关于解耦控制系统的仿真分析，旨在学习解耦控制系统的基本原理和设计方法。实验中使用 MATLAB/SIMULINK 软件对解耦控制系统进行仿真分析，并对几个实际应用系统进行解耦分析与设计。 一、实验目的 1. 进一步学习解耦控制系统的基本原理； 2. 利用 MATLAB/SIMULINK 有效进行解耦控制系统的分析与设计。 二、实验设备 1. 硬件：个人计算机； 2. 软件：MATLAB 7.0 / SIMULINK 5.0 仿真软件（或以上）。 三、实验内容和步骤 过程控制系统中变量之间的耦合（关联）是普遍存在的，各变量之间有时有强耦合（强关联），而有时只是松散的耦合，甚至无耦合。过程控制系统之间的耦合（关联）程度可用传递函数矩阵表示。图 1 给出了双输入双输出耦合控制系统结构框图。 图 1 双输入双输出耦合控制系统结构框图 确定各变量之间耦合程度的分析方法有直接法和相对增益法。直接法是采用解析法得到各变量之间的传递函数关系，从而确定过程中每个变量相对于每个控制作用的耦合程度。相过程控制实验报告对增益法是一种通用的耦合特性分析工具，通过相对增益矩阵不仅可以确定变量之间的耦合程度，而且可依此去设计解耦控制系统。 解耦控制系统的设计就是设计合适的控制器解除控制回路或被控变量之间的耦合；完全解耦可使得控制器与被控变量之间成为一对一的独立控制系统。解耦控制器的设计方法有对角阵解耦、前馈补偿解耦、反馈解耦等。 四、实验结果 本实验主要针对对角阵解耦控制、前馈补偿解耦控制、反馈解耦控制等进行仿真分析，并就几个实际应用系统进行解耦分析与设计。 1. 对角阵解耦控制 对角阵解耦控制要求被控对象特性矩阵与解耦控制矩阵的乘积等于对角阵 G*(s)：G(s)D (s)=diag[Gii¿(s)] 因此被控对象的输出与输入变量之间满足如下矩阵方程： [Y 1(s)Y 2(s)]=[G11¿ (s)00G22¿ (s)][U c1(s)U c2(s)] 假设被控对象传递函数矩阵 G(s)为非奇异矩阵，则解耦控制器 D(s)的数学模型可由式(2)求得。对角阵解耦后的等效控制系统如图 3 所示。 图 2 双变量对角阵解耦系统结构图 图 3 对角阵解耦后的等效控制系统 单位阵解耦控制系统是对角阵解耦控制系统的一种特殊情况，解耦后目标传递函数矩阵G*(s)为单位阵：G(s)D (s)=I [G11(s)G12(s)G21(s)G22(s)][D11(s)D12(s)D21(s)D22(s)]=[1001] 解耦控制器的传递函数矩阵为D(s)=[D11(s)D 12(s)D21(s)D 22(s)]=[G11(s)G12(s)G21(s)G22(s)]−1 2. 前馈补偿解耦控制 前馈补偿解耦控制是根据不变性原理来设计解耦控制器的，从而消除系统的相互关联。图 4 给出了双变量前馈补偿解耦控制系统的结构。 根据前馈补偿原理，前馈补偿解耦控制器的传递函数为D21(s)=−G21(s)G22(s) , D12(s)=−G12(s)G11(s) 图 4 双变量前馈补偿解耦控制系统 前馈补偿解耦后，图 4 所示的耦合系统将变为两个单回路控制系统。前馈补偿解耦与对角阵解耦具有相同的解耦效果，但前馈补偿解耦模型较简单，易于实现。另外，前馈补偿解耦还可以实现对扰动信号的解耦，是目前工业过程控制中应用最普遍的一种解耦方法。 3. 反馈解耦控制 在反馈解耦控制系统中，解耦控制器配置在系统的反馈通道上，而不是配置在系统的前向通道上，如图 5 所示。 反馈解耦控制器的传递函数为D21(s)=G21(s)G c2(s) , D12(s)=G12(s)Gc 1(s) 图 5 双变量反馈解耦控制系统 五、结论 本实验报告总结了解耦控制系统的基本原理和设计方法，并对几个实际应用系统进行了解耦分析与设计。结果表明，解耦控制系统可以有效地消除系统中的耦合，提高系统的稳定性和可靠性。