工業(yè)過程控制10解耦控制課件

1、MIMO過程的解耦控制戴連奎浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與決策研究所8/20/2022工業(yè)過程控制內(nèi) 容引 言相對增益MIMO系統(tǒng)的變量匹配解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解耦控制系統(tǒng)的實(shí)施結(jié) 論8/20/2022工業(yè)過程控制多變量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法單變量控制系統(tǒng)（多回路控制）方法簡單，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)不強(qiáng)時(shí)，如果配對正確，而且參數(shù)整定合適，應(yīng)用效果良好，較強(qiáng)的魯棒性。解耦控制方法較復(fù)雜，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)較強(qiáng)時(shí)，如果對象模型基本正確，可應(yīng)用于實(shí)際過程，但魯棒性較弱。多變量控制方法眾多，相對復(fù)雜，可適用于各種實(shí)際過程，但魯棒性較弱，通常要求建立對象模型。8/20/2022工業(yè)過程控制多變量系統(tǒng)中的耦合基本問題：若采用SISO控制器，如

2、何進(jìn)行輸入輸出變量之間的配對？8/20/2022工業(yè)過程控制多回路PID 控制8/20/2022工業(yè)過程控制相對增益的概念 第一放大系數(shù) pij：在其它控制量 ur (rj)均不變的前提下， uj 對yi 的開環(huán)增益 第二放大系數(shù) pij：在利用控制回路使其它被控量 yr (ri) 均不變的前提下， uj 對yi 的開環(huán)增益8/20/2022工業(yè)過程控制相對增益的概念（續(xù)） uj至yi通道的相對增益： 相對增益矩陣：8/20/2022工業(yè)過程控制相對增益系數(shù)的計(jì)算方法1輸入輸出穩(wěn)態(tài)方程8/20/2022工業(yè)過程控制相對增益系數(shù)的計(jì)算方法2注：上述計(jì)算公式中的 “” 為兩矩陣對應(yīng)元素的相乘！8/

3、20/2022工業(yè)過程控制相對增益系數(shù)的計(jì)算方法2 (續(xù))例如：穩(wěn)態(tài)增益：練習(xí)：計(jì)算11 ， 33 ，12 ，31 ?其中det P 是矩陣P 的行列式；Pij是矩陣P 的代數(shù)余子式。8/20/2022工業(yè)過程控制相對增益矩陣的歸一性相對增益矩陣中每行或每列的總和均為1；若相對增益矩陣中，某些元素1，則對應(yīng)行與列中必然有某些元素0;ij反映了通道uj與yi之間的穩(wěn)態(tài)增益受其它回路的影響程度.8/20/2022工業(yè)過程控制相對增益與耦合程度當(dāng)通道的相對增益接近于1，例如0.8 ij y20 C2 )：8/20/2022工業(yè)過程控制變量配對舉例（續(xù)）7. 分析結(jié)論( 假設(shè)C1 y20 C2 )：（

4、1）變量配對：用量大的操作變量控總流量；用量小的操作變量控濃度。（2）若用量大的操作變量占總流量75%以上，則只要用常規(guī)多回路就可以；否則，若兩種進(jìn)料量接近，則需要采用非常規(guī)方法，例如解耦設(shè)計(jì)。8/20/2022工業(yè)過程控制調(diào)和過程工況舉例1F1= 80 T/hr，F(xiàn)2 = 20 T/hr， F = 100 T/hr； C1= 75 %， C2 = 25 %， C = 64 %。相對增益矩陣為：輸入輸出的正確配對：8/20/2022工業(yè)過程控制多回路控制方案#1（F-F1, C-F2）8/20/2022工業(yè)過程控制調(diào)和過程多回路控制模型#18/20/2022工業(yè)過程控制多回路控制方案#1的閉環(huán)

5、響應(yīng)8/20/2022工業(yè)過程控制多回路控制方案#2（C-F1, F-F2）8/20/2022工業(yè)過程控制調(diào)和過程多回路控制模型#28/20/2022工業(yè)過程控制多回路控制方案#2的閉環(huán)響應(yīng)8/20/2022工業(yè)過程控制耦合過程的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)合適輸入輸出變量配對后，若關(guān)聯(lián)不大，則可采用常規(guī)的多回路PID控制器；盡管系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關(guān)聯(lián)嚴(yán)重，但主要控制通道動態(tài)特性差別較大，仍可通過調(diào)整PID參數(shù)，使各回路的工作頻率拉開；若系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關(guān)聯(lián)嚴(yán)重，而且動態(tài)特性相近，則需要進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)。8/20/2022工業(yè)過程控制解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償法解耦原理：使y1與uc2無關(guān)聯(lián)；使y2與uc1無關(guān)聯(lián)8/20/202

6、2工業(yè)過程控制解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償法（續(xù)）8/20/2022工業(yè)過程控制解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對角矩陣法8/20/2022工業(yè)過程控制解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對角矩陣法（續(xù)）8/20/2022工業(yè)過程控制解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單位矩陣法8/20/2022工業(yè)過程控制解耦控制系統(tǒng)的簡化設(shè)計(jì)（穩(wěn)態(tài)解耦法）8/20/2022工業(yè)過程控制解耦控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)1：初始化問題問題：若u1, u2為“手動”時(shí)，如何設(shè)定基本控制器Gc1輸出的初始值，以便無擾動地投入“自動”？8/20/2022工業(yè)過程控制解耦控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2：約束問題問題：當(dāng)兩回路均為“自動”時(shí)，若u2 在運(yùn)行過程中受到了約束，兩控制器有可能都驅(qū)使u1

7、趨向約束。8/20/2022工業(yè)過程控制改進(jìn)的解耦控制方案8/20/2022工業(yè)過程控制調(diào)和過程的解耦控制舉例8/20/2022工業(yè)過程控制調(diào)和過程解耦控制系統(tǒng)仿真被控過程：穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)：Q0（ u10, u20, y10, y20）8/20/2022工業(yè)過程控制調(diào)和過程解耦控制仿真（續(xù)）模型：相對增益矩陣：問題：如何進(jìn)行變量配對與解耦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)？8/20/2022工業(yè)過程控制調(diào)和過程多回路控制仿真模型#38/20/2022工業(yè)過程控制調(diào)和過程多回路控制響應(yīng)8/20/2022工業(yè)過程控制調(diào)和過程動態(tài)線性解耦方案8/20/2022工業(yè)過程控制動態(tài)線性解耦閉環(huán)響應(yīng)8/20/2022工業(yè)過程控制調(diào)和

8、過程線性靜態(tài)解耦方案8/20/2022工業(yè)過程控制線性靜態(tài)解耦系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)8/20/2022工業(yè)過程控制調(diào)和過程的部分靜態(tài)解耦方案8/20/2022工業(yè)過程控制部分靜態(tài)解耦系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)8/20/2022工業(yè)過程控制非線性靜態(tài)解耦的一般結(jié)構(gòu)+8/20/2022工業(yè)過程控制調(diào)和過程的非線性靜態(tài)解耦+8/20/2022工業(yè)過程控制調(diào)和過程非線性靜態(tài)解耦（續(xù)）+8/20/2022工業(yè)過程控制調(diào)和過程的非線性完全解耦8/20/2022工業(yè)過程控制非線性完全解耦控制仿真模型8/20/2022工業(yè)過程控制非線性靜態(tài)解耦系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)8/20/2022工業(yè)過程控制MIMO耦合系統(tǒng)解耦控制小結(jié)應(yīng)通過關(guān)聯(lián)分析并選擇

9、合適的輸入輸出配對:1. 若關(guān)聯(lián)不大或主要控制通道動態(tài)特性差別較大，則可采用常規(guī)的多回路PID控制器；2. 若系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關(guān)聯(lián)嚴(yán)重，而且動態(tài)特性相近，則需要進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)。常用的解耦方法：前饋解耦、靜態(tài)解耦、部分解耦、線性或非線性解耦等。8/20/2022工業(yè)過程控制練習(xí)題巳知過程的開環(huán)穩(wěn)態(tài)增益矩陣試推導(dǎo)其相對增益矩陣，并選擇最好的控制回路。分析此過程是否需要解耦。8/20/2022工業(yè)過程控制流體輸送設(shè)備控制自學(xué)思考題對于離心式流體輸送設(shè)備（泵、壓縮機(jī)），如何實(shí)現(xiàn)流量控制？對于容積式泵設(shè)備，如何實(shí)現(xiàn)流量控制？對于離心式壓縮機(jī)，說明喘振現(xiàn)象與產(chǎn)生原因；掌握常用的防喘振方法與相應(yīng)的控制系統(tǒng)；8/20/2022工業(yè)過程