過程控制工程多變量過程控制

1、過程控制工程多變量過程控制第1頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三多變量過程第2頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三多變量過程控制過程設(shè)備有很多變量需要控制，需要做以下的事情：選擇必要的傳感器選擇合適的操縱變量決定如何對CVs和MVs進(jìn)行配對多數(shù)情況下，采用多個單回路控制就能夠解決問題，但有些時候只有單回路是不夠的，需要更復(fù)雜的控制方案。第3頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三兩類控制方案多回路：多個獨(dú)立的PID控制器集中控制第4頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三幾個重要問題是否存在關(guān)連？如果沒有關(guān)連 只

2、是多個單回路控制問題是否可控制？MVs是否能夠控制CVs關(guān)連對單回路控制有怎樣的影響？如何表示關(guān)連的強(qiáng)度？如何設(shè)計多回路控制系統(tǒng)？第5頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三關(guān)連定義：對于一個多變量過程，當(dāng)輸入（操縱）變量影響不止一個輸出（被控）變量時，稱過程中存在關(guān)連。這個過程存在關(guān)連嗎？第6頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三機(jī)理建模分析線性化第7頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三經(jīng)驗(yàn)建模分析產(chǎn)品質(zhì)量相對于回流量的階躍響應(yīng)（固定再沸量）第8頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三經(jīng)驗(yàn)建模分析（續(xù)）第9頁，共6

3、2頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三是否存在關(guān)連（續(xù)）如果模型能夠排列成對角矩陣，則不存在關(guān)連第10頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三多變量過程的方塊圖第11頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三控制實(shí)現(xiàn)的可能性所選擇的MVs是否能實(shí)現(xiàn)對CVs進(jìn)行控制？第12頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三控制實(shí)現(xiàn)的基本要求MVs的數(shù)量 CVs的數(shù)量不能保證能夠?qū)λ械腃Vs進(jìn)行控制！第13頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三可控性系統(tǒng)是可控的是指存在干擾的情況下仍能夠通過調(diào)節(jié)使CVs在穩(wěn)態(tài)情況下保持在設(shè)

4、定值。系統(tǒng)的靜態(tài)增益矩陣可逆時系統(tǒng)是可控的！第14頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三可控性舉例1下圖系統(tǒng)是否可控？是否存在關(guān)聯(lián)?第15頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三可控性舉例1（續(xù)1）下圖系統(tǒng)是否可控？是否存在關(guān)聯(lián)?第16頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三可控性舉例1（續(xù)2）下圖系統(tǒng)是否可控？是否存在關(guān)聯(lián)?第17頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三可控性舉例2混合過程中的兩個CVs是否可控？是否存在關(guān)聯(lián)?這個系統(tǒng)是可控的！第18頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三可控性舉例3

5、Det (K) = 1.5410-3 0系統(tǒng)是可控的！第19頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三可控性舉例4下圖加熱罐系統(tǒng)是否可控？第20頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三可控性舉例5兩個閥門對兩個變量有相同的影響Det (K) = 0系統(tǒng)不可控！第21頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三可控性舉例5（續(xù)）兩個MVs同時影響一個變量，該變量同時影響兩個CVs，但不能單獨(dú)影響某一個CV。第22頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三可控性舉例6Det (K) = 0系統(tǒng)不可控！第23頁，共62頁，2022年，5

6、月20日，18點(diǎn)35分，星期三可控性舉例6（續(xù)）第24頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三多變量過程采用單回路控制對于一個22的系統(tǒng)采用單回路進(jìn)行控制根據(jù) Gii(s) 來設(shè)置控制器第25頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三采用單回路控制（續(xù)）將其中一個回路投入自動，接下來該怎么辦？第26頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三采用單回路控制（續(xù)）第二個對象手動時對第一個對象進(jìn)行階躍響應(yīng)動態(tài)測試的情況第27頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三采用單回路控制（續(xù)）第二個對象投入自動時對第一個對象進(jìn)行階躍響應(yīng)動態(tài)測

7、試的情況隨著控制器變化第28頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三采用單回路控制（續(xù)）通常一個回路的特性會受到關(guān)連回路的影響對每個單獨(dú)的回路進(jìn)行整定達(dá)到穩(wěn)定，當(dāng)所有回路都投運(yùn)時往往會產(chǎn)生不穩(wěn)定。需要反復(fù)整定每個回路，直到每個回路都得到較好的性能。第29頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三采用單回路控制 舉例假設(shè)按照“最大增益”的原則進(jìn)行配對：MV1(s) = CV1(s)，MV2(s) = CV2(s)第30頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三舉例：Simulink仿真第31頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期

8、三投入自動后的傳遞函數(shù)第32頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三相對增益矩陣相互關(guān)連非常重要。它會影響到反饋控制是否可能，以及反饋控制的性能。那么是否可以對關(guān)連進(jìn)行量化呢？答案是可以?？刹捎孟鄬υ鲆婢仃?(RGA) 對關(guān)連進(jìn)行量化。第33頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三相對增益的定義 第一放大系數(shù) pij：在其它操縱變量 MVr (rj)均不變的前提下， MVj 對 CVi 的開環(huán)增益 第二放大系數(shù) qij：在利用控制回路使其它被控量 CVr (ri) 均不變的前提下， MVj 對CVi 的開環(huán)增益第34頁，共62頁，2022年，5月20日，18

9、點(diǎn)35分，星期三相對增益的定義（續(xù)）MVj 和 CVi 間的相對增益為 ，定義如下：第35頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三相對增益矩陣第36頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三根據(jù)定義計算相對增益穩(wěn)態(tài)方程:第37頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三傳遞函數(shù)矩陣計算相對增益其中det K 是矩陣K 的行列式；Kij是矩陣K 的代數(shù)余子式。第38頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三相對增益的性質(zhì)相對增益矩陣中每行或每列的總和均為1；對于22系統(tǒng)，當(dāng)kij為正的個數(shù)是奇數(shù)時，所有的相對增益都在01之間，稱為正

10、相關(guān)；當(dāng)kij為正的個數(shù)是偶數(shù)時，存在相對增益小于0，稱為負(fù)相關(guān)。第39頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三相對增益的物理意義在這種情況下，穩(wěn)態(tài)增益的符號隨著其它回路狀態(tài)的改變（開環(huán)、閉環(huán)）而不同第40頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三相對增益的物理意義在這種情況下，當(dāng)其它回路都開環(huán)時，穩(wěn)態(tài)增益為0。這個控制系統(tǒng)是如何工作的？其中一個回路開環(huán)時，會出現(xiàn)怎樣的情況？第41頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三相對增益的物理意義在這種情況下，其它回路閉環(huán)時的穩(wěn)態(tài)增益比開環(huán)時要大。當(dāng)其它回路開環(huán)和閉環(huán)時對PID參數(shù)的整定有怎樣的影響？

11、以一個相對增益為0.1的22系統(tǒng)為例進(jìn)行討論。第42頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三相對增益的物理意義在這種情況下，其它回路的開環(huán)與閉環(huán)對穩(wěn)態(tài)增益的大小沒有影響。是否表示回路間沒有關(guān)連？第43頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三相對增益的物理意義在這種情況下，其它回路開環(huán)時的穩(wěn)態(tài)增益比閉環(huán)時要大。當(dāng)其它回路開環(huán)和閉環(huán)時對PID參數(shù)的整定有怎樣的影響？以一個相對增益為10的22系統(tǒng)為例進(jìn)行討論。第44頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三相對增益的物理意義在這種情況下，其它回路閉環(huán)時的穩(wěn)態(tài)增益為0。無法進(jìn)行多回路控制第45頁，共

12、62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三變量配對不能選擇 的變量配對不能選擇 的變量配對不能選擇 的變量配對應(yīng)該選擇 最接近1的變量配對第46頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三變量配對舉例（調(diào)和過程）是非線性系統(tǒng)！第47頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三變量配對舉例（續(xù)）1. 計算靜態(tài)增益：第48頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三變量配對舉例（續(xù)）2. 計算一個相對增益：第49頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三變量配對舉例（續(xù)）3. 構(gòu)造相對增益矩陣：第50頁，共62頁，2022年，5月

13、20日，18點(diǎn)35分，星期三舉例 根據(jù)RGA選擇變量配對假設(shè)：穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)(Q10,Q20,Q0,C0)；C1 C0 C2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。第51頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三多變量控制系統(tǒng)設(shè)計經(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)的多個單回路PID控制；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)特性相差較大，則可通過調(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。第52頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三前饋補(bǔ)償解耦原理：使y1與uc2無關(guān)聯(lián)；使y2與uc1無關(guān)聯(lián)第53頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三對角陣解耦第54頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三對角陣解耦（續(xù)）第55頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三單位陣解耦第56頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三解耦的實(shí)現(xiàn) 初始化問題問題：若u1, u2為“手動”時，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”？第57頁，共62頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)35分，星期三解耦的實(shí)現(xiàn) 約束問題問題：當(dāng)兩回路均為“自動”時，若u2 在運(yùn)行過程中受到了約束，兩控制器有可能都驅(qū)