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)間相對獨立，按單變量系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計。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。控制參數(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，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，該通道的開環(huán)增益（第二增益）。基于定義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。本方法稱為在線實驗法，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

個被控量相對于第

個控制量間的耦合程度越大，其控制效果也就越明顯?？梢宰C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.若矩陣中各元素數(shù)值相近，則此時變量間的關(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）中必有一個負(fù)數(shù)。相對增益出現(xiàn)負(fù)值時稱為負(fù)耦合，構(gòu)成閉環(huán)時形成正反饋，控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。常用解耦設(shè)計方法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，由于此時對象特性為1，理論上極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。缺點：解耦網(wǎng)絡(luò)模型可能難以實現(xiàn)。前饋補(bǔ)償解耦法將有耦合的控制參數(shù)當(dāng)作擾動量，根據(jù)不變性原理設(shè)計前饋補(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，若最大時間常數(shù)與最小的時間常數(shù)相差較大，可忽略最小時間常數(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，盡管會存在動態(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：兩個或多個參數(shù)自動維持一定比值關(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。主動量和從動量比值控制系統(tǒng)中，起主導(dǎo)作用的物料流量一般為主動量q1。如燃燒過程中的燃料量、造紙中的紙漿量；隨主動量變化的物料流量稱為從動量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

從動量q2是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)；主動量q1開環(huán)，

Wc1(s)=k；q2

的給定是kq1

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

由一個定值控制的主動量回路和一個跟隨主動量變化的從動量控制回路組成。特點：實現(xiàn)主動量定值控制，使總物料量穩(wěn)定?？煽朔鲃恿亢蛷膭恿康臄_動，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，來實現(xiàn)第三參數(shù)的穩(wěn)定不變。本質(zhì)上是一個以第三參數(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。

主動量為磨礦濃度；從動量為礦和水兩種物料流量的比值。在從動量調(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)計舉例--控制