河南工業(yè)大學(xué)過程控制12

主要內(nèi)容解耦控制系統(tǒng)相對增益對角矩陣解耦法前饋補(bǔ)償解耦法比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制雙閉環(huán)比值控制變比值控制變量耦合所謂“耦合”是指不同的控制系統(tǒng)，控制參數(shù)與被控參數(shù)之間存在相互影響。多變量過程控制系統(tǒng)中，子系統(tǒng)間耦合是經(jīng)常存在的。若耦合程度不高，可認(rèn)為各子系統(tǒng)間相對獨(dú)立，按單變量系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。若關(guān)聯(lián)緊密，就不能將大系統(tǒng)簡單分解。否則不但得不到滿意的控制效果，甚至得不到穩(wěn)定的控制過程。一個(gè)耦合系統(tǒng)的例子—混合攪拌系統(tǒng)

兩種工質(zhì)A、B均勻混合攪拌?？刂茀?shù)：m1=FA、m2=FB；被控參數(shù)：輸出量F=FA+FB及混合后的成份x=FA/F，即y1=X，y2=F。相對增益的定義為了衡量一個(gè)選定的控制量與其配對的被控量間的影響程度，引入相對增益概念。若某通道的被控量記作，其控制量記作，則該通道的相對增益定義為：分子表示所有回路均開環(huán)（即其他控制量均不變）時(shí)，該通道的開環(huán)增益（第一增益）；分母表示其他回路閉環(huán)（即其他回路控制量在調(diào)整，而其對應(yīng)的被控量均不變）時(shí)，該通道的開環(huán)增益（第二增益）?；诙x的相對增益求法首先，在所有回路均開環(huán)情況下，改變，得到，確定該通道的第一增益；然后，在所有其他回路都閉環(huán)情況下，由于發(fā)生變化，變成了，據(jù)此確定該通道的第二增益。本方法稱為在線實(shí)驗(yàn)法，較麻煩，且生產(chǎn)上常常不允許。相對增益的意義相對增益的大小反映了某個(gè)控制通道的作用強(qiáng)弱和其它通道對它耦合的強(qiáng)弱比較；相對增益可作為選擇控制通道的依據(jù)。相對增益矩陣及性質(zhì)的值愈接近于1，則說明第

個(gè)被控量相對于第

個(gè)控制量間的耦合程度越大，其控制效果也就越明顯。可以證明，多變量系統(tǒng)相對增益矩陣中每行（列）上的相對增益總和為1。這可以用來簡化計(jì)算。相對增益矩陣一般為方陣?；谳敵鰴z測確定相對增益舉例混合攪拌相對增益的物理意義1.若x≤50%，說明用FA控制x較好；2.反之，若x≥50%，說明用FA控制F較好。相對增益的幾點(diǎn)結(jié)論1.若某一對變量的相對增益愈接近于1，則表明其他通道對本通道的影響將很小，這一對變量配對是合理的。2.若矩陣中各元素?cái)?shù)值相近，則此時(shí)變量間的關(guān)聯(lián)最為嚴(yán)重。3.若有的元素大于1，則在其同行（及同列）中必有一個(gè)負(fù)數(shù)。相對增益出現(xiàn)負(fù)值時(shí)稱為負(fù)耦合，構(gòu)成閉環(huán)時(shí)形成正反饋，控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。常用解耦設(shè)計(jì)方法1.適當(dāng)選擇變量配對，將大系統(tǒng)分解為若干相對獨(dú)立的子系統(tǒng)。2.對角矩陣解耦法（含單位矩陣解耦法）。3.前饋補(bǔ)償解耦法，是目前工業(yè)上應(yīng)用最普遍的一種解耦方法。對角矩陣解耦法思路：采用解耦網(wǎng)絡(luò)將耦合系統(tǒng)化為對角陣?，F(xiàn)狀：手段：目標(biāo)：對角矩陣解耦法（續(xù)）對角矩陣解耦網(wǎng)絡(luò)單位矩陣解耦網(wǎng)絡(luò)思路：不僅化為對角陣，而且使對角陣化為單位陣。不但消除了耦合，也改變了等效被控對象的特性，由于此時(shí)對象特性為1，理論上極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。缺點(diǎn)：解耦網(wǎng)絡(luò)模型可能難以實(shí)現(xiàn)。前饋補(bǔ)償解耦法將有耦合的控制參數(shù)當(dāng)作擾動(dòng)量，根據(jù)不變性原理設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償解耦網(wǎng)絡(luò)。解耦網(wǎng)絡(luò)較對角陣解耦簡潔，工業(yè)應(yīng)用廣泛。解耦系統(tǒng)的簡化不管是單位矩陣解耦或前饋解耦，解耦模型往往十分復(fù)雜。對耦合對象模型進(jìn)行簡化處理，若最大時(shí)間常數(shù)與最小的時(shí)間常數(shù)相差較大，可忽略最小時(shí)間常數(shù)。對解耦網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行簡化處理，即靜態(tài)解耦。靜態(tài)解耦能在一定程度上減小被控參數(shù)變化的幅值，盡管會(huì)存在動(dòng)態(tài)偏差，但其幅值已相應(yīng)減小。靜態(tài)解耦是一種基本而有效的解耦方法。比值控制系統(tǒng)

定義：兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)自動(dòng)維持一定比值關(guān)系的過程控制系統(tǒng)。

例如：燃燒過程中，為保證燃燒經(jīng)濟(jì)性，需保持燃料量和空氣量按一定比例混合后送入爐膛；造紙過程中，為保證紙漿濃度，必須控制紙漿量和水量按一定的比例混合。主動(dòng)量和從動(dòng)量比值控制系統(tǒng)中，起主導(dǎo)作用的物料流量一般為主動(dòng)量q1。如燃燒過程中的燃料量、造紙中的紙漿量；隨主動(dòng)量變化的物料流量稱為從動(dòng)量q2。如燃燒過程中的空氣量、造紙中的水量。q2與q1保持一定的比值，即：比值控制方案根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程的不同需求，有3種常用的比值控制方案：單閉環(huán)比值控制；雙閉環(huán)比值控制；變比值控制。單閉環(huán)或雙閉環(huán)比值控制中，比值系數(shù)固定不變；而變比值控制中，比值系數(shù)可變。單閉環(huán)比值控制

從動(dòng)量q2是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)；主動(dòng)量q1開環(huán)，

Wc1(s)=k；q2

的給定是kq1

，故從動(dòng)量又是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，可克服作用于從動(dòng)量回路中的擾動(dòng)，應(yīng)用于主動(dòng)量可測不可控場合。雙閉環(huán)比值控制

由一個(gè)定值控制的主動(dòng)量回路和一個(gè)跟隨主動(dòng)量變化的從動(dòng)量控制回路組成。特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)主動(dòng)量定值控制，使總物料量穩(wěn)定。可克服主動(dòng)量和從動(dòng)量的擾動(dòng)，適用于要求負(fù)荷變化平穩(wěn)的場合，但控制稍復(fù)雜。變比值控制

不管是單閉環(huán)或雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，其控制的目的就是要保證兩種物料流量的比值固定不變。變比值控制中，比值只是手段，而不是最終目的。變比值控制系統(tǒng)通過控制流量比值，來實(shí)現(xiàn)第三參數(shù)的穩(wěn)定不變。本質(zhì)上是一個(gè)以第三參數(shù)為主參數(shù)、以流量比為副參數(shù)的串級控制系統(tǒng)。第三參數(shù)往往是產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。

變比值控制的例子變比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例--需求分析工藝與控制要求：產(chǎn)量基本穩(wěn)定；磨機(jī)內(nèi)部磨礦濃度穩(wěn)定。對于一段磨機(jī)，若給礦量穩(wěn)定，系統(tǒng)按比例控制給水量，可以初步穩(wěn)定一段磨機(jī)內(nèi)的濃度。受原礦性質(zhì)、磨機(jī)排礦速度變化等因素的影響，若僅以固定比值控制給水，難以保證磨礦濃度，甚至?xí)斐赡C(jī)“脹肚”等設(shè)備事故。變比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例--控制方案對一段磨機(jī)而言，濃度發(fā)生變化后，要求礦和水兩種物料流量的比值要隨之變化，決定采用變比值控制方案。

主動(dòng)量為磨礦濃度；從動(dòng)量為礦和水兩種物料流量的比值。在從動(dòng)量調(diào)節(jié)過程中，由于礦量是生產(chǎn)負(fù)荷，起主導(dǎo)地位，故以調(diào)節(jié)水量為主來改變比值。變比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例--控制