11.解耦控制(多变量过程控制)-过程控制自动化.ppt

* U1和u2中哪个大，则相对增益矩阵中的第一行中的两个元素就大，即增益接近于1。 * * * 若无法通过整定来解耦，则需要设计解耦控制系统。以下讲关联严重时的解决办法----解耦控制系统的设计。 * * 静态解耦指的是只对系统静态响应解耦，解耦环节的传递函数为常数矩阵。特点：设计过程简单，所得到静态解耦器总是物理可实现的，所以目前应用较多的还是按静态解耦方法设计解耦控制系统。 * 单位矩阵法解耦后的子系统具有稳定性好、抗干扰能力强等优点，但要实现它的解耦器也将会比其他方法更为困难。如解耦过程具有更复杂的动态特性时，单位矩阵法求出的解耦器可能比用其它方法求出的解耦器更难以实现。 单位矩阵法适用于被控对象不存在纯延迟环节和没有右半平面的零点的情况。 * 先简化，再实现。 实现图中的方案存在着两个问题：控制器输出的初始化、操纵变量的约束运行。其中，第二个问题更难解决。 初始化问题：控制器输出的初始化就是要找到两个控制器的初始值Uc1和Uc2，以便控制系统能够无扰动地从“手动”投入到“自动”。 * 操纵变量的约束运行问题：即操作变量中有些受到约束（即达到控制阀的上限或下限）。（后果：例如双回路系统中，一个操作变量受到约束后，在两个被控变量都不能得到有效的控制，因为此时两个控制器都试图操纵剩下的尚未受到约束的操作变量来进行控制。但由于仅有一个有效的操作变量，而有两个被控变量要求进行定值控制，结果造成未受约束的操作变量也会被驱赶到极限值）。 * 前馈补偿法是一种很有效的抗扰动控制方法，是目前工业上应用最普遍的一种解耦方法。在多变量系统中，经过合理的变量配对选择后，其他变量对该通道来说都相当于扰动，因此前馈补偿法同样适用于多变量解耦控制系统。 解耦原理：U1通过G21与D21对y2的影响相互抵消，U2通过G12与D12对y1的影响相互抵消。D12和D21都是解耦器。 这种方法很容易进行手自动切换操作 图中方案解决了串级解耦方案中存在的初始化和约束运行问题。简化了初始化过程：控制器输出的初始值uc1、uc2：由已知的u1、 u2来计算uc1、uc2。 约束运行问题的解决：当某一操作变量受到约束时，会使对应的控制回路等价于开环，而受到约束的操作变量就作为前馈补偿输入继续被送至另一回路。由于此时仅有一个控制回路在工作，因而完全避免了约束运行问题。 * * * 纯粹从静态相对增益矩阵来分析，控制回路的耦合有时非常严重，所以当两回路动态特性接近时，需要进行动态线性解耦设计 * 由对象在稳态工作点附近的线性化动态模型式，得到前馈形式的解耦器，然后进行仿真得出响应曲线。可以看出，两个回路几乎不存在相互关联，控制性能显著改善。 * 为进一步简化解耦器结构，即简化设计----忽略动态调节过程中的关联作用，而仅考虑稳态条件下的解耦。 * * * * 带横线的字母表示稳态值。 * 图有问题 * * 调和过程的非线性完全解耦 非线性完全解耦控制仿真模型 非线性完全解耦系统闭环响应 有很好的解耦效果 MIMO耦合系统解耦控制小结 应首先通过关联分析选择合适的输入输出配对: 1. 若关联不大或主要控制通道动态特性差别较大，则可采用常规的多回路PID控制器； 2. 若系统稳态关联严重，而且动态特性相近，则需要进行解耦设计。 常用的解耦方法： 前馈解耦、静态解耦、部分解耦、线性或非线性解耦等。 对于工业过程常见的MIMO关联系统 练习题 假设已知稳态增益： 计算λ11 ， λ33 ，λ12 ，λ31 ? 练习题（续） 巳知过程的开环稳态增益矩阵 试推导其相对增益矩阵，并选择最好的控制回路。分析此过程是否需要解耦。 * 生产规模越来越复杂，对控制的要求越来越高，而且在一个生产过程中要求控制的变量以及操纵变量往往不止一对，需要设置的控制回路也不止一个。特别是这些变量之间往往以这种或那种形式相互关联，构成多输入多输出的耦合系统。在这些系统中某一回路的动静态特性不仅与本回路的结构和参数有关，而且还与其他的回路的结构与参数有关。若不慎重处理，各关联控制系统将无法正常发挥作用，甚至无法自动运行。因此分析各被控变量与各操纵变量之间的关联程度，合理地选择操纵变量减少关联就显得很重要。 对于多变量系统之间的耦合，有些可以采用被控变量和操纵变量之间的适当匹配或重新整定控制器参数的方法来加以克服。但对于关联较为严重的系统，一般采用附加补偿装置，用以解除系统中各控制回路之间的耦合关系。 * CV：被控变量；MV：操纵变量 * 储槽加热器有液位控制和温度控制两个控制回路。 * 储槽加热器有成分控制和温度控制两个控制问题。 单方向关联：只有一个控制回路对另一个控制回路的影响。 双方向关联：两个控制回路相互都有影响。 * 注意传递函数下标。 如何表示操纵变量的变化对被控变量的影响（