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解耦控制系统设计与仿真姓名：专业：学号：第一章解耦控制系统概述1.1背景及概念在现代化旳工业生产中，不停出现某些较复杂旳设备或装置，这些设备或装置旳自身所规定旳被控制参数往往较多，因此，必须设置多种控制回路对该种设备进行控制。
由于控制回路旳增长，往往会在它们之间导致互相影响旳耦合作用，也即系统中每一种控制回路旳输入信号对所有回路旳输出都会有影响，而每一种回路旳输出又会受到所有输入旳作用。
要想一种输入只去控制一种输出几乎不也许，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。
所谓解耦控制系统，就是采用某种构造，寻找合适旳控制规律来消除系统中各控制回路之间旳互相耦合关系，使每一种输入只控制对应旳一种输出，每一种输出又只受到一种控制旳作用。
解耦控制是一种既古老又极富生命力旳话题，不确定性是工程实际中普遍存在旳棘手现象。
解耦控制是多变量系统控制旳有效手段。
1.2重要分类三种解耦理论分别是：基于Morgan问题旳解耦控制，基于特性构造配置旳解耦控制和基于H_∞旳解耦控制理论。
在过去旳几十年中，有两大系列旳解耦措施占据了主导地位。
其一是围绕Morgan问题旳一系列状态空间措施，这种措施属于全解耦措施。
这种基于精确对消旳解耦措施，碰到被控对象旳任何一点摄动，都会导致解耦性旳破坏，这是上述措施旳重要缺陷。
其二是以Rosenbrock为代表旳现代频域法，其设计目旳是被控对象旳对角优势化而非对角化，从而可以在很大程度上防止全解耦措施旳缺陷，这是一种近似解耦措施。
1.3有关解法选择合适旳控制规律将一种多变量系统化为多种独立旳单变量系统旳控制问题。
在解耦控制问题中，基本目旳是设计一种控制装置，使构成旳多变量控制系统旳每个输出变量仅由一种输入变量完全控制，且不一样旳输出由不一样旳输入控制。
在实现解耦后来，一种多输入多输出控制系统就解除了输入、输出变量间旳交叉耦合，从而实现自治控制，即互不影响旳控制。
互不影响旳控制方式，已经应用在发动机控制、锅炉调整等工业控制系统中。
基于多变量参考的风电机组解耦控制方法及仿真验证
邓华;李从飞;陈真;张琦;刘国炜
【期刊名称】《自动化应用》
【年(卷),期】2024(65)7
【摘要】变桨变速型风电机组分别采用变桨和转矩调节控制模式。
解耦控制被用于平滑切换2种控制模式,避免转矩与变桨调节同时作用或频繁切换带来的机组转速和功率振荡问题。
提出一种基于变桨角度、转矩输出、发电机转速等多种变量参考的变桨转矩解耦控制方法,并引入时间迟滞判断条件,实现转矩控制和变桨控制的解耦。
采用上述解耦控制策略,基于PLC可编程控制器、Bladed仿真软件构建了3 MW双馈型风电机组控制系统及仿真模型。
结果表明,额定风况附近,风电机组平均功率波动在±50 kW以内,统计功率曲线达到设计功率曲线要求,可满足额定风况附近风电机组的控制需求。
【总页数】4页(P124-127)
【作者】邓华;李从飞;陈真;张琦;刘国炜
【作者单位】国电南京自动化股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TP273;TK83
【相关文献】
1.基于LPV增益调度的风电机组控制验证与仿真分析
2.基于复杂热力系统动态特性的机组两级再热汽温多变量解耦控制方法
3.基于Matlab的风电机组控制系统研
究与仿真验证4.基于虚拟惯量模型和模糊PID算法的双馈风电机组频率解耦控制方法5.基于解耦锁相的风电逆变并网控制系统仿真
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过程控制系统多变量解耦控制系统过程控制系统多变量解耦控制系统（Multivariable Decoupling Control System）是一种能够同时控制多个相关变量的控制系统。
在传统的控制系统中，通常只有一个控制回路，而多变量解耦控制系统则可以通过多个回路同时对多个变量进行控制，从而实现变量之间的解耦。
在实际的工程应用中，往往需要控制多个相关的变量。
这些变量之间可能存在交互作用，控制其中一个变量可能会对其他变量产生影响。
传统的单变量控制系统无法有效地解决这个问题，因为它们无法考虑到变量之间的相互关系。
多变量解耦控制系统通过建立多个独立的控制回路，每个回路分别控制一个相关变量，从而实现变量之间的解耦。
解耦的目标是使每个回路的输出变量不再受到其他变量的影响，即通过调整每个回路的控制器参数，使得系统变得稳定并能够达到预期的控制效果。
多变量解耦控制系统的设计一般包括两个主要步骤：解耦器设计和控制器设计。
解耦器的作用是抑制变量之间的相互干扰，从而实现变量的解耦。
解耦器通常根据系统的数学模型来设计，通过调整解耦器的参数，可以实现变量之间的解耦效果。
在解耦器设计的基础上，需要设计每个回路的控制器。
控制器的设计一般采用传统的控制方法，如PID控制器或者先进的控制算法。
控制器的目标是为每个回路选择合适的控制参数，使得系统的稳定性和控制精度得到保证。
多变量解耦控制系统在实际应用中具有广泛的应用。
例如，在化工过程中，需要控制多个过程变量，如温度、压力和流量等。
传统的单变量控制方法无法满足工艺的需求，而多变量解耦控制系统可以通过解耦变量之间的相互作用，实现高效的过程控制。
总之，多变量解耦控制系统是一种用于控制多个相关变量的控制系统。
它通过建立多个独立的控制回路，实现变量之间的解耦，并通过调整控制器参数，使得系统达到稳定和预期的控制效果。
在工程应用中，多变量解耦控制系统具有广泛的应用前景，可以提高工艺的控制精度和稳定性，从而实现更高效的过程控制。
一种多变量系统的内模解耦控制设计方法
王东风;王剑东;韩璞
【期刊名称】《控制工程》
【年(卷),期】2003(10)5
【摘要】针对多变量强耦合的被控系统,提出了一种简化的内模解耦控制设计方法。
其宗旨是首先根据对象的名义模型,设计常数阵预补偿器,对其进行对角优势化,进而利用补偿后的主对角线元素作为内模控制设计的内部模型,并基于此内部模型设计
多通道内模控制器,同时设计了对角形滤波器。
对某加热炉温度控制系统的仿真研
究结果表明了该方法的有效性,控制系统具有很好的解耦能力和较强的鲁棒性。
算
法简单,易于实现,具有较好的工程应用价值。
【总页数】3页(P463-465)
【关键词】多变量系统;内模解耦控制;设计方法;工业过程控制;预测控制
【作者】王东风;王剑东;韩璞
【作者单位】华北电力大学动力系
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.一种多变量不确定系统的H∞鲁棒解耦控制器设计方法 [J], 甘永梅;周凤岐
2.一种适合于高阶多变量系统的逆向解耦控制方法 [J], 郑义民;吉国力
3.多变量系统解耦内模控制及其PID转化应用方法的研究 [J], 王全良;甄新平;潘立
登;闻光辉
4.基于多变量解耦内模控制的机组协调控制系统设计 [J], 项丹;刘吉臻;李露
5.多变量解耦内模控制系统设计与仿真 [J], 李玉霞;黄小莉;滕银银
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基于α 阶逆解耦的多变量内模控制系统研究施丹;许必熙【摘要】由于工业过程控制中存在大时滞现象,使得单变量内模控制难以获得有效的控制,而多变量内模控制成为一种较好的控制策略.文中简单介绍了多变量内模控制的原理,分别基于主回路为控制对象、V规范解耦的原则和α 阶逆解耦进行内模控制器的设计,阐述了各个控制器的主要思想及其设计的具体方法.通过仿真比较模型匹配与模型失配下的内模控制输出仿真图.由仿真结果可以得出,基于V规范解耦的内模控制器具有较好的控制效果,但是解耦效果存在缺陷,针对非线性系统提出的基于α 阶逆解耦的内模控制系统具有较好的解耦和控制效果.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2019(042)009【总页数】5页(P107-110,114)【关键词】多变量;主回路;V规范解耦;α阶逆解耦;内模控制;鲁棒性【作者】施丹;许必熙【作者单位】南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京 211800;南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京 211800【正文语种】中文【中图分类】TN876-34;TP391.90 引言如今工业过程控制中存在大时滞现象，使得单变量内模控制难以应用高增益，使得系统响应缓慢和偏差，导致工业对象难以获得有效的控制[1]。
多变量内模控制具有和单变量内模控制相同的特性，该特性使多变量内模控制成为一种较好的控制策略。
文献[2⁃3]提出利用V规范的内模解耦控制器，该方法创造性地运用了模型逆的概念，避免了矩阵求逆的过程，使设计更加简便。
文献[4]针对制冷系统设计了采用集中逆向解耦结构的内模控制方法，在反馈通道上加入滤波器提升制冷系统对负荷扰动的抗扰性，解决了其大滞后、强耦合和扰动复杂的问题。
为了进一步提高系统的抗干扰能力，文献[5]提出一种基于支持向量机广义逆内模控制的方法，增强整个系统的鲁棒性。
本文采用不同的解耦策略对系统进行内模控制的研究，提出一种基于α 阶逆解耦的内模控制系统的研究方法，通过仿真比较，得出系统具有较好的解耦和控制效果。
磨煤机制粉系统解耦内模控制器的设计及仿真
陆红波;苏杰;朱洪军;张晓刚
【期刊名称】《自动化技术与应用》
【年(卷),期】2009(028)007
【摘要】本文针对工业过程中常见的多变量时滞耦合输入输出系统,基十内模控制结构提出了一种多变量解耦内模控制设计的方法,该方法设计的内模控制器同时具有解耦器和控制器的作用.其优点是能够实现标称系统输出响应之间的近似或完全解耦,并且改善了系统的大迟廷的特性.并与PID对角矩阵解耦设计方法相对比,结果表明:解耦内模控制器设计方法有更好的鲁棒性.
【总页数】5页(P1-4,14)
【作者】陆红波;苏杰;朱洪军;张晓刚
【作者单位】华北电力大学控制科学与工程学院,河北,保定,071003;华北电力大学控制科学与工程学院,河北,保定,071003;华北电力大学控制科学与工程学院,河北,保定,071003;华北电力大学控制科学与工程学院,河北,保定,071003
【正文语种】中文
【中图分类】TP273.3
【相关文献】
1.钢球磨煤机制粉系统DRNN神经网络解耦控制研究 [J], 王万召;李利
2.钢球磨煤机制粉系统自抗扰解耦控制 [J], 曾建;陈红
3.基于内模控制的Smith反向解耦控制器设计 [J], 王元飞;张晓静;贾玉明
4.多变量解耦内模控制系统设计与仿真 [J], 李玉霞;黄小莉;滕银银
5.燃料电池系统空气供应内模解耦控制器设计 [J], 陈凤祥;陈兴
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基于多变量解耦内模控制的机组协调控制系统设计项丹;刘吉臻;李露【期刊名称】《热力发电》【年(卷),期】2015(000)002【摘要】The multivariable decoupling internal model control (IMC)method was employed to design the unit coordinated control system with strong coupling,great inertia and large time delays.By constructing the desired closed﹣loop transfer function matrix,the prediction and right half plane pole produced by the in﹣version of the model were compensated.Then the stable and realizable P﹣norm decoupling internal model controller can be designed.This controller has simple design method,good decoupling effect and its param﹣eter is easy to regulate.Taking a 660 MW unit as the object,this decoupling IMC design method was ap﹣plied in the simplified load﹣pressure dynamic model.Moreover,the anti﹣interference of the control system and robustness of model mismatch were verified.The simulation results show that,the decoupling IMC based coordinated control system accelerates the load response speed and reduces the dynamic deviation of the main steam pressure.%采用多变量解耦内模控制(IMC)方法，对强耦合、大惯性、大迟延的机组协调控制系统进行设计。
多变量解耦内模控制系统设计与仿真李玉霞;黄小莉;滕银银【摘要】For multivariable controller,we always face some troubles,such as that the design is complex,and the adjustment of the controller parameter is inconvenient,and the implementation is difficult and the engineering practica-bility is poor, and so on.In order to solve the problems,a multivariable decoupling internal model controller is pro-posed. As for the controller,the pre-feedback compensation is used to decouple,and two step design method is utilized to implement the controller,and the internal model controller and the decoupled control object are equivalently trans-formed into a PID controller with only one adjustable parameter. Experimental results show that the system decoupling effect is good,and the system exhibits good dynamic response characteristics by adjusting the unique parameter. In the case of model mismatch and interference,the robustness and anti-interference ability of the system is still good,and it has higher engineering application value.%针对多控制回路相互关联耦合的多变量控制器的设计复杂、参数调节困难、实现难度高、工程实用性差的问题,提出一种多变量解耦内模控制器.该系统采用前置反馈补偿方式解耦,通过两步法设计内模控制器,并将内模控制器和解耦后的被控对象等效变换为只有1个参数可调的PID控制器.实验结果表明,系统解耦效果良好,通过对唯一的参数进行调节,系统表现出良好的动态响应特性,在模型失配和存在干扰的情况下,系统的鲁棒性和抗干扰能力也较好,具有较高的工程应用价值.【期刊名称】《西华大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)003【总页数】5页(P96-100)【关键词】多变量解耦;内模控制器;PID控制器;鲁棒性【作者】李玉霞;黄小莉;滕银银【作者单位】西华大学电气与电子信息学院,四川成都 610039;西华大学电气与电子信息学院,四川成都 610039;西华大学电气与电子信息学院,四川成都 610039【正文语种】中文【中图分类】TP273随着现代工业的发展，工业过程系统已不再局限于单变量系统[1]，需要控制的变量往往不止一个，且多个变量之间相互关联，即耦合。
Morgan于1954年提出了基于精确对消的全解耦状态空间法。
Rosenbrock于20世纪60年代提出了基于对角优势化的现代频率法。
这2种方法都要求被控对象精确建模，在应用上受到一定的限制。
文献[2-3]研究了采用多环控制结构来实现操作变量的解耦调节，虽然使调节系统有所简化，但是所能达到的系统输出响应性能指标相对于目前采用解耦控制结构的方法要低很多。
对单变量内模控制研究得较透彻的今天，多变量的内模控制还有待进一步完善，而且对多变量控制方法使用的控制器的设计复杂，通常将控制器与解耦装置放在一起设计[4]，运算过程全是矩阵运算，涉及很多数学原理知识，使一般的工程设计人员无法真正理解控制器的设计原理。
本文将解耦装置与控制器分开，进行了多变量系统解耦和基于内模控制的PID控制器设计，使得解耦条件更低，解耦精确度更高，解耦质量更好。
该方法不仅具有内模控制器性能可靠、动态特性好、鲁棒性强、有一定的抗扰作用等优点，还具有PID控制器的参数意义明确、工程实用性好等优点。
1 多变量解耦内模控制系统的设计1.1 系统总体框架结构本系统的控制系统框图如图1所示,图中将内模控制器与内部模型等效为只有1个参数可调的PID控制器，以便过程获得较好的动态响应特性，并能实现控制算法简便熟悉易懂，达到控制策略容易理解的要求，又能应用于多变量控制系统。
图1中，R是参考输入，GIMC是内模控制器[4-5]，GD是前置反馈补偿解耦装置，GP是实际过程传递函数，GM是实际过程解耦后的等效系统模型，GC是内模控制器和等效系统模型等效转换后的PID控制器，GF(S)是干扰通道传递函数矩阵，f(S)是对角阵干扰输入，Y是系统输出。
图1 多变量内模控制的解耦框图1.2 系统解耦设计如果除被控系统传递函数矩阵的主对角线元素外，其他项元素均为零，则被控系统没有关联。
从静态看，如果其他项元素增益比主对角线元素增益小得多，则被控系统关联就弱[6]。
前置反馈补偿解耦方式的解耦补偿器易于实现，也易于计算，其解耦结构如图2所示。
图2 前置反馈补偿解耦控制系统框图图中：GP1是被控对象GP的对角元阵，即对角元素非零，其他元素均为零，GP2是非对角元与GP相等，对角元为零的矩阵，即GP=GP1+GP2；D为等效解耦环节[7]。
由图2知，D=[I-GD]-1。
要使系统能实现解耦，则GP·D=(GP1+GP2)·[I-GD]-1。
(2)此为对角阵。
令式(2)等于GP1，则(GP1+GP2)·[I-GD]-1=GP1。
(3)求解得(4)即(5)2 设计实现2.1 解耦装置环节的设计实现本文采用的被控对象[8]为(6)由式(4)的方法计算得(7)则2.2 内模控制器的设计实现由于成功解耦后，可看作2条控制回路单独设计即单回路的设计思想，所以给控制器的设计带来很大的方便。
为使系统输出能跟踪输入的变化，内模控制器应该取等效内部模型的逆，即其中,是GM的最小相位部分，包括GM的非最小相位部分，即时滞和右半平面零点。
由于的逆使系统不稳定或者不能实现，则一般只取的逆，然后再添加一个滤波器环节来保证内模控制器在物理上的可实现性，即(9)其中(10)滤波器(11)此处取 n=1，则(12)2.3 等效PID控制器的实现在图3中(13)将式(9)代入式(13)得(14)本文采用等效理想PID控制器的方法，即(15)将式(14)与(15)进行比较，得到PID参数[9-10]的计算公式：(16)(17)(18)图3 多变量内模控制系统的等效结构框图3 系统测试与性能分析3.1 仿真程序的实现通过MATLAB软件的Simulink工具[11-12]来实现本文的仿真，仿真图如图4所示。
图4 仿真结构图图4中：step、step2是输入信号；输入到C1、C2之间的部分是PID控制器；C1，C2到U1、U2之间的部分是前置反馈解耦装置；U1、U2到Y1、Y2之间是被控对象；step1、step3是系统的扰动；y1是系统输入作用于通道1的输出；y2是系统输入作用于通道2的输出。
通道1即被控对象矩阵中的通道2即为得到较好的控制效果，在大量的仿真结果对比基础上，选取唯一的参数α，代入公式(16)到(18)，得到PID参数，如表1所示。
表1 控制器参数表参数α=3KCTITDKCTIKCTD第1通道0.328 6016.825000.122 500.019 530.040 26第2通道-0.130 1515.150 000.700 50-0.008 59-0.091 17上述控制器参数表是经过大量的仿真而得出来的，其控制效果较好。
3.2 系统的动态特性分析由于本文只须调整1个滤波器参数α,因此，参数设计变得非常简单，其实用性较强。
图5示出模型匹配时的响应曲线。
图中：参数α=3，在t=0时，通道1加入阶跃信号；t=30时，通道2加入阶跃信号；y1，y2为响应值。
图5 模型匹配时的仿真结果可以看出：稳态系统误差为0；系统的超调量为0；响应时间ts为6 s；系统解耦后y1的阶跃响应对y2的输出基本没有影响，y2的阶跃响应使y1的输出值稍微有所减小，减少量为0.06，但y1的输出值能马上回到设定值，所以这2条回路之间的相互影响基本可以忽略。
系统的解耦性能很好，动态特性也很好，能满足实际生产需要。
3.3 系统的鲁棒性分析由于系统模型传递函数与实际过程不可能完全匹配，而且一般的工业过程传递函数是随时间变化的；因此,将模型的静态增益和时滞都增加20%，时间常数减小20%，控制器保持不变，观察系统在上述模型失配时的动态响应特性即系统的鲁棒性能。
模型失配时的响应曲线如图6所示。
图6的仿真结果表明：与模型匹配时的仿真结果相比，稳态误差仍然为0，响应时间ts为6 s；虽然有40%的超调量，但在很短的时间内，输出能稳定于输入值。
系统不能完全解耦，仍然有一定程度的关联，但2个控制通道还是能很快稳定在给定值，并且稳定后能无误差的跟踪给定值的变化，调节时间也不长；所以该设计系统的鲁棒性较强。
本文的设计方法具有一定的实际应用价值。
图 6 模型失配时的仿真结果3.4 系统的抗干扰特性分析在时滞环节后，系统的闭环回路中，y1增加了幅值为0.5的阶跃扰动，y2增加了幅值为-0.5(与y1加的阶跃扰动方向相反)的阶跃扰动，阶跃开始时间分别为60 s 和90 s。
系统在扰动的影响下响应曲线如图7所示。
图7 在扰动影响下的系统仿真结果图7的仿真结果表明：系统在扰动的影响下虽然有一定程度的超调量(50%)；但在10 s内系统输出能快速稳定于给定值，响应时间约等于6 s，而且y1的扰动对y2的输出基本没有影响，y2的扰动对y1的输出响应也基本没有影响，系统稳态误差为0。
系统在扰动的影响下表现出了较好的动态响应特性，所以系统能够克服扰动的影响，具有良好的抗扰性能。
4 结论本文通过一种解耦方法来实现较为精确的解耦，使系统的控制器的设计由多变量控制矩阵的设计变为单变量控制器的设计，然后用两步法实现了内模控制器的设计，并通过将内模控制器与系统模型一起等效为PID控制器，使控制器参数的意义更加明确，只有1个滤波器时间常数α需要设计，大大简化了控制器的设计思路，缩短了实现所需的时间，最后通过MATLAB软件中的Simulink仿真工具实现了系统仿真。
