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解耦控制算法的研究.doc

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.45M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    课程名称： 计算机控制实验 实验题目：解耦控制算法的研究
    课程名称： 计算机控制实验 实验题目：解耦控制算法的研究 实验地点 1．实验目的 德怀楼 7 层 实验时间 2017.11.10 1．熟悉并掌握多变量耦合系统的结构、特点及其混合仿真研究方法。 2．熟悉并掌握一种常用的多变量系统解耦控制算法的设计和实现方法。 2. 实验任务 1．用前馈补偿解耦法设计一已知的两输入、两输出有耦合被控对象的解耦控制系 统，并完成它的混合仿真。 2．熟悉解耦控制系统的控制器参数调试方法。 3．对无耦合系统、有耦合而未解耦系统以及有耦合且采用解耦控制系统的控制作 比较研究。 3. 相关知识 1．实验系统的结构和被控对象参数 实验所采用的两输入、两输出解耦控制系统的结构方块图，如图 6.1 所示：图中 虚线框内部分是两输入、两输出有耦合的被控对象，其传递函数 G(s)为：  ( ) G s 11 12( ) 0 G s  21( ) 0.5 G s  ( ) G s 22 1 0.5 s  1 0.1 s  1  1 （6－1） M 1 M 2 c1 c2 G 11 G 21 G 12 G 22 图 6.1 O 1 R 0 O 2 R 4 R 2 R 8 R 6 R 1 - + C 2 R 5 - + + + 图 6.2 C 1 R 3 - + - + I1 + R 7 I2 + 该两输入、 两输出有耦合的被控对象可 用图 6.2 所示电路模拟，参数选择符合传递函数要求，不妨取为 R0＝R1＝100k，R2 ＝R3＝500k，C1＝1uF，R4＝R5＝100k，C2＝1uF，R6＝R7＝100k，R8＝200k。 第 1页
    实验所采用的两输入、两输出解耦控制系统的混合仿真系统方框图如图 6.3 所示： 2．前馈补偿解耦法 见图 6.3，图中 12( ) D z 构成解耦网络，它们是先按连续系统设计 ( )D s 然后 D z 和 21( ) r1(k) e1(k) u1(k) PID1 M 1(t) Z.0.H G(s) d1(k) D21(z) D12(z) r2(k) e2(k) u2(k) d2(k) PID2 M 2(t) Z.0.H c1(t) c2(t) 图6.3 离散化得到 ( )D z 的。 见图 6.4，这是一个连续的采用前馈补偿解耦的两输入、两输入解耦控制系统的方 块结构图。图中，如无解耦网络存在， 1M 不仅影响 1C 而且影响 2C ；同样地， 2M 不 仅影响 2C 而且影响 1C 。 在图 6.4 中，为利用前馈补偿消除上述耦合影响，令 C t C t  11  C t C t  ( ) 0 ( ) 0 M 当 M 当 ( ) ( ) 0 0       12 21 22 2 1 （6－2） r1(t) e1(t) u1(t) PID1 r2(t) e2(t) u2(t) PID2 M1(t) M2(t) G11 G21 G12 G22 D21(s) D12(s) c1(t) c2(t) 因而有 12 21 G s D s G s   G s D s G s  ( ) ( ) ( ) ( )   12 11 21 22 图6.4 ( ) 0  ( ) 0  从而得到连续的解耦网络数学模型 ( ) D s     1 ( ) D s 21 ( ) D s 12 1           1 21 ( ) G s ( ) G s 22  ( ) G s 12 ( ) G s 11 1       （6－3） （6－4） 第 2页
    在实验系统中， ( ) G s 12 ( ) G s 11 ( ) D s 12   , ( ) D s 21   21 ( ) G s ( ) G s 22   0.5(0.1 s 1)    (0.05 s  0.5) 用一阶差分法将 ( )D s 离散化得到 ( ) D z D z  ， 其中 12( ) 0 在实验系统中， ( ) D z 21   z  1 ) 0.05(1  T     1 ( ) D z 21  0.5   ( ( ) D z 12 1 0.05 T  0.5) 0.05 T  0.5)  ( ) D z 21  ( ) d z 2 ( ) M z 1 于是 2 ( ) d k   (   ( 0.05 T  1 z 0.05 T 0.05 T  0.5) ( ) m k 1  ( m k 1  1)  于是得到解耦控制算法 ( ) m k 1 ( ) m k ( ) u k 1 ( ) u k 2 ( ) d k 2    2 ( ) u k 2    （6－5）  0.05 T  1 z （6－6） （6－7） （6－8）  ( 0.05 T  0.5) ( ) u k 1  0.05 T ( u k 1  （6－9） 1) 其中 ( ) u k 1 ( ) u k 2 ( ( ) 1) ( [ 1)] e k u k P e k       1 1 1 1 ( 1) ( ) 2 ( [ 2)] e k e k D e k      1 1 1 1 1)] ( ) 1) ( ( [ u k e k P e k       2 2 2 2 2)] ( 1) [ ( ) 2 ( D e k e k e k      2 2 2 2 ( ) I e k 1 1 ( ) I e k 2 2 （6－10） （6－11） 3．控制器参数调试 经前馈补偿解耦法解耦以后，两输入、两输入连续控制系统的方块结构图将等价 于如图 6.5 所示系统，成为两个相互独立的单闭环控制系统，故调试可分以下两步进 行： （1）在实际系统中，由于被控对象模型的误差，按前馈补偿解耦法设计的解耦算 法的参数，需要按是否达到解耦效果进行调试。为此，先将两个 PID 控制器置为比例 环节，分别加 r1(t)和 r2(t)，测试解耦效果，调试解耦参数。 （2）在解耦效果达到以后，两个 PID 控制器参数就可以分别按两个相互独立的 单闭环控制系统各自整定。 r1(t) e1(t) PID1 Z.0.H G22(s) c1(t) r2(t) e2(t) PID2 Z.0.H G22(s) c2(t) 图6.5 4．关于对比分析 上述解耦控制的 PID 控制结果同图 6.2 中去掉电阻 R8 后的系统，用 PID 控制的实 第 3页
    验结果相比较，以及同不加解耦的图 6.2 系统 PID 控制实验结果相比较。 第 4页
    4．相关程序及实验结果 KP1 1 Ti1 1 Td1 0 Kp2 1 Ki2 1 Td2 0.1 KP1 1 Ti1 1 Td1 0 Kp2 1 Ki2 1.5 Td2 0 KP1 1 Ti1 1 Td1 0 Kp2 2 Ki2 1 Td2 0 KP1 1 Ti1 1 Td1 0.05 Kp2 1 Ki2 1 Td2 0 KP1 1.5 Ti1 1.5 Td1 0 Kp2 1.5 Ki2 2 Td2 0.1 KP1 1.5 Ti1 1.5 Td1 0.05 Kp2 1.5 Ki2 2 Td2 0.1 KP1 1 Ti1 2 Td1 0 Kp2 1.5 Ki2 2 Td2 0 KP1 2 Ti1 2 Td1 0 Kp2 1 Ki2 1 Td2 0 第 5页
    5．总结 学会了解耦装置的参数调整，并对解耦装置前后性能有了深刻了解。 第 6页
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