计算机控制技术课件于海生第4章常规及复杂控制技术幻灯片.ppt

下面，我们来推导控制量的输出算法。 假定被控对象控制通道和扰动通道的传递函数分别为 则： 可得前馈调节器的微分方程 对微分离散化，得到差分方程 un(k)=A1un(k-1)+Bmn(k-m)+Bm+1n(k-m-1) 下面得到计算机前馈—反馈控制的算法步骤： (1)计算反馈控制的偏差 e(k) e(k)=r(k)-y(k) (2)计算反馈控制器(PID)的输出u1(k) Δu1(k)=KpΔe(k)+KIe(k)+KD〔Δe(k)-Δe(k-1)〕 u1(k)=u1(k-1)+Δu1(k) (3)计算前馈调节器Dn(s)的输出un(k) Δun(k) =A1Δun(k-1)+BmΔn(k-m)+Bm+1Δn(k-m-1) un(k)=un(k-1)+Δun(k) (4)计算前馈—反馈调节器的输出u(k) u(k)=un(k)+u1(k) 4.6 解耦控制技术 4.6.1 解耦控制原理 4.6.2 数字解耦控制算法 在现代化工业过程中，对过程控制的要求越来越高，因此，一个生产装置中往往设置多个回路，稳定各个被控参数。此时，各个控制回路之间会发生相互耦合，相互影响，这种耦合构成了多输入-多输出系统。由于这种耦合，使得系统的性能很差，过程长久不能平稳下来。 实际装置中，系统之间的耦合，通常可以通过3条途径予以解决： （1）在设计控制方案时，设法避免和减少系统之间的耦合；  （2）选择合适的调节器参数，使各个控制系统的频率拉开，以减少耦合； （3）设计解耦控制系统，使各个控制系统相互独立（或称自治）。 4.6.1 解耦控制原理 解耦控制的主要目标是通过设计解耦补偿装置，使各控制器只对各自相应的被控量施加控制作用，从而消除回路间的相互影响。 分析：以化工生产中的精馏塔，它的两端组分的耦合，说明解耦控制原理。 精馏就是将一定浓度的溶液送入精馏装置，使其反复地进行部分汽化和部分冷凝，从而得到预期的塔顶与塔底产品的操作，精馏操作是炼油、化工生产过程中的一个十分重要的环节。  精馏塔是一个多输入和多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制作用响应缓慢，参数间相互关联严重。 D1为塔顶组分控制器，它的输出u1用来控制调节阀RV1，调节进入塔顶的回流量qr，以便控制塔顶的组分y1。 D2为塔釜组分控制器，它的输出u2用来控制调节阀RV2，调节进入再沸器的加热蒸汽量qs,以便控制塔底的组分y2。 精馏塔组分控制示意图 回流量qr或温度的改变必然都会引起组分浓度的变化。 u2的改变，即蒸汽流量的改变，导致温度变化，不仅影响y2，还会引起y1的变化；同样，u1的改变不仅对y1有影响，还会引起y2的变化。因此，这两个控制回路之间存在着相互关联、相互耦合。 精馏塔组分的耦合关系 G11(s)是调节器D1(s)对Y1(s) 的作用通道 G21(s)是调节器D1(s)对Y2(s)的作用通道 G12(s)是调节器D2(s)对Y1(s) 的作用通道 G22(s)是调节器D2(s)对Y2(s)的作用通道 由图可见，两个组分系统之间的耦合关系，实际上是通过对象特性G21(s) G12(s)相互影响的。为了解除两个组分之间的耦合，需要设计一个解耦装置F(s) 。 F(s)实际上由F11(s)， F12(s)， F21(s)， F22(s)构成，使得调节器D1(S) 的输出除了主要影响Y1(s)外，还通过解耦装置F21(s)消除U1(s) 对Y2(s) 的影响；同样调节器D2(s)的输出除了主要影响Y2(s)外，还通过解耦装置F12(s)消除U2(s)对Y1(s)的影响。 由以上的分析，可以得到多变量解耦控制系统框图： 完全解耦后，得到两个完全独立的自治系统，如图所示： 从上图，我们可以得到开环传递函数矩阵 闭环传递函数矩阵为 对于多输入多输出系统，要求各个控制回路相互独立。系统的闭环传递函数矩阵必为对角线矩阵。 即： 必为对角线矩阵。 而且GO(s)=G(s)F(s)D(s)，通常，由于控制回路是相互独立的，控制器矩阵D(s)必为对角线矩阵。所以，只要G(s)F(s)为对角线矩阵， GO(s)可满足必为对角线矩阵。因此： 多变量解耦控制的设计要求是，根据对象传递函数矩阵G(s)，设计一个解耦装置F(s)，使得G(s) F(s)为对角线矩阵。 由于，两个组分系统之间的耦合关系，实际上是通过对象特性G21