解耦控制实验报告

解耦控制实验

背景描述

1、实验过程描述

流股Cold和Hot进入储气罐，通过控制两路流股的流量来控制储气罐的压力和温度，具体的流程见附录。

1、控制变量

储气罐的压力控制，设定压力为：400kpa；

储气罐的温度控制，设定温度为：70degc。

2、操作变量

流股Cold的流量；

流股Hot的流量。

3、解耦目标

解耦的目标是通过前馈补偿来减少被控变量之间的耦合关系。

4、控制方案

本实验对象是一个典型的2*2解耦对象，那么设计到解耦配对的选择问题，可能的方案有两种，如下：

方案一：

通过流股Cold来控制储气罐的温度；

通过流股Hot来控制储气罐的压力。

方案二：

通过流股Cold来控制储气罐的压力；

通过流股Hot来控制储气罐的温度。

实验目的

1、根据仿真模型，了解双输入输出系统及其变量之间的相互耦合与影响；

2、掌握解耦控制的基本原理与解耦控制其的设计方法。

实验内容

1、根据流程模拟模型，辨识系统的过程模型对象的相对增益；

2、根据相对增益阵来分析系统中变量匹配和调整参数设定；

3、采用前馈补偿法构成解耦控制方案，设计补偿器的数学模型，并在UniSimDesign仿真平

台上实现。

实验步骤

1、辨识系统模型。

1)载入仿真文件，设定初始输入输出，建立系统初稳态。

初始值如下：

Cold输入：34.204kg/h（50%）

Hot输入：95.018kg/h（50%）

温度：772.60℃

压力：423.8kPa

2)求输出相对于Cold输入的传递函数：

将FIC-100的输入增加10%，阶跃至40.460kg/h（60%），得到响应曲线如下图。

稳态下，温度为68.3℃，压力为389.2kPa。

根据两点法求一阶惯性系统模型公式，求得K=-0.642℃·h/kg，T=22.050min

所以

G11(s)=

−0.642 22.050s+1

同样的方法求压力相对于流股Cold的传递函数，得K=0.774Pa·h/kg，T=12.834min 所以

G21(s)=

0.774 12.834s+1

3)求输出相对Hot输入的传递函数

将FIC-100的输入重新置为50%，稳定后将FIC-101的输入提升10%，阶跃至105.37kg/h（60%），得到响应曲线如下图。

稳态下，温度为73.1℃，压力为416.8kPa。用上述方法求传递函数：

G12(s)=

0.321 26.142s+1

G22(s)=

1.093 6.192s+1

2、设计补偿器的数学模型，并在UniSimDesign仿真平台上实现。

1)计算解耦控制补偿传递函数。

解耦原理如下：

所以

D21=−K21g21

K22g22

=

1.206(2

2.05s+1)

12.85s+1

D12=−K12g21

K11g11

=

0.294(6.19s+1)

26.14s+1

2)对解耦效果进行仿真分析。

将解耦控制补偿传递函数计算结果输入UniSimDesign中。先将Cold的输入值阶跃上升，流股Hot的输入值不变，输出如下图所示：

可见，储气罐的压强几乎没有变化，而储气罐的温度有了上升。

再给Hot的输入值阶跃上升，流股Cold的输入值不变，输出如下图所示：

可以看出，储气罐的温度几乎没有变化，而储气罐的压强上升。

从而验证了解耦效果较为明显。

收获心得

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，掌握了解耦控制的基本原理与解耦控制其的设计方法。由于对软件不是很熟悉，实验过程中出现了很多问题，感谢助教的悉心指导。