《工業(yè)過程控制工程》課件10.解耦控制

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，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，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。多變量系統(tǒng)中的耦合基本問題：若采用SISO控制器，如何進(jìn)行輸入輸出變量之間的配對？多回路PID控制相對增益的概念

第一放大系數(shù)pij：在其它控制量ur(r≠j)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(r≠i)均不變的前提下，uj對yi的開環(huán)增益相對增益的概念（續(xù)）

uj至yi通道的相對增益：

相對增益矩陣：相對增益系數(shù)的計(jì)算方法1輸入輸出穩(wěn)態(tài)方程相對增益系數(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！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λ11，λ33，λ12，λ31?其中detP是矩陣P的行列式；Pij是矩陣P的代數(shù)余子式。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;λij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.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<λij<1.2，則表明其它通道對該通道的關(guān)聯(lián)作用很小;當(dāng)相對增益小于零或接近于零時，說明使用本通道調(diào)節(jié)器不能得到良好的控制效果。或者說，這個通道的變量選配不適當(dāng)，應(yīng)重新選擇。當(dāng)相對增益在0.3到0.7之間或者大于1.5時，則表明系統(tǒng)中存在著非常嚴(yán)重的耦合。需要考慮進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)或采用多變量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。變量配對舉例(調(diào)和過程)為非線性系統(tǒng)！變量配對舉例（續(xù)）1.設(shè)定穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)：Q0（u10,u20,y10,y20）2.穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)Q0附近偏差化變量配對舉例（續(xù)）3.工作點(diǎn)Q0附近線性化變量配對舉例（續(xù)）4.對于穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)Q0計(jì)算某一相對增益：變量配對舉例（續(xù)）5.利用相對增益的性質(zhì)計(jì)算相對增益矩陣：變量配對舉例（續(xù)）6.進(jìn)行合適的變量配對(假設(shè)C1>y20>C2)：變量配對舉例（續(xù)）7.分析結(jié)論(假設(shè)C1>y20>C2)：（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)。調(diào)和過程工況舉例1F1=80T/hr，F(xiàn)2=20T/hr，F(xiàn)

=100T/hr；C1=75%， C2=25%，C

=64%。相對增益矩陣為：輸入輸出的正確配對：多回路控制方案#1（F-F1,C-F2）調(diào)和過程多回路控制模型#1多回路控制方案#1的閉環(huán)響應(yīng)多回路控制方案#2（C-F1,F-F2）調(diào)和過程多回路控制模型#2多回路控制方案#2的閉環(huán)響應(yīng)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)。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)解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

前饋補(bǔ)償法（續(xù)）解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對角矩陣法解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對角矩陣法（續(xù)）解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

單位矩陣法解耦控制系統(tǒng)的簡化設(shè)計(jì)

（穩(wěn)態(tài)解耦法）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，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”？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，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趨向約束。改進(jìn)的解耦控制方案調(diào)和過程的解耦控制舉例調(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）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)？調(diào)和過程多回路控制仿真模型#3調(diào)和過程多回路控制響應(yīng)調(diào)和過程動態(tài)線性解耦方案動態(tài)線性解耦閉環(huán)響應(yīng)調(diào)和過程線性靜態(tài)解耦方案線性靜態(tài)解耦系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)調(diào)和過程的部分靜態(tài)解耦方案部分靜態(tài)解耦系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)非線性靜態(tài)解耦的一般結(jié)構(gòu)+調(diào)和過程的非線性靜態(tài)解耦++調(diào)和過程非線性靜態(tài)解耦（續(xù)）+調(diào)和過程的非線性完全解耦非線性完全解耦控制仿真模型非線性靜態(tài)解耦系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)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。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。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)