工业过程控制10解耦控制课件

1、MIMO过程的解耦控制戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所8/20/2022工业过程控制内 容引 言相对增益MIMO系统的变量匹配解耦控制系统的设计解耦控制系统的实施结 论8/20/2022工业过程控制多变量控制系统设计方法单变量控制系统（多回路控制）方法简单，当系统关联不强时，如果配对正确，而且参数整定合适，应用效果良好，较强的鲁棒性。解耦控制方法较复杂，当系统关联较强时，如果对象模型基本正确，可应用于实际过程，但鲁棒性较弱。多变量控制方法众多，相对复杂，可适用于各种实际过程，但鲁棒性较弱，通常要求建立对象模型。8/20/2022工业过程控制多变量系统中的耦合基本问题：若采用SISO控制器，如

2、何进行输入输出变量之间的配对？8/20/2022工业过程控制多回路PID 控制8/20/2022工业过程控制相对增益的概念 第一放大系数 pij：在其它控制量 ur (rj)均不变的前提下， uj 对yi 的开环增益 第二放大系数 pij：在利用控制回路使其它被控量 yr (ri) 均不变的前提下， uj 对yi 的开环增益8/20/2022工业过程控制相对增益的概念（续） uj至yi通道的相对增益： 相对增益矩阵：8/20/2022工业过程控制相对增益系数的计算方法1输入输出稳态方程8/20/2022工业过程控制相对增益系数的计算方法2注：上述计算公式中的 “” 为两矩阵对应元素的相乘！8/

3、20/2022工业过程控制相对增益系数的计算方法2 (续)例如：稳态增益：练习：计算11 ， 33 ，12 ，31 ?其中det P 是矩阵P 的行列式；Pij是矩阵P 的代数余子式。8/20/2022工业过程控制相对增益矩阵的归一性相对增益矩阵中每行或每列的总和均为1；若相对增益矩阵中，某些元素1，则对应行与列中必然有某些元素0;ij反映了通道uj与yi之间的稳态增益受其它回路的影响程度.8/20/2022工业过程控制相对增益与耦合程度当通道的相对增益接近于1，例如0.8 ij y20 C2 )：8/20/2022工业过程控制变量配对举例（续）7. 分析结论( 假设C1 y20 C2 )：（

4、1）变量配对：用量大的操作变量控总流量；用量小的操作变量控浓度。（2）若用量大的操作变量占总流量75%以上，则只要用常规多回路就可以；否则，若两种进料量接近，则需要采用非常规方法，例如解耦设计。8/20/2022工业过程控制调和过程工况举例1F1= 80 T/hr，F2 = 20 T/hr， F = 100 T/hr； C1= 75 %， C2 = 25 %， C = 64 %。相对增益矩阵为：输入输出的正确配对：8/20/2022工业过程控制多回路控制方案#1（F-F1, C-F2）8/20/2022工业过程控制调和过程多回路控制模型#18/20/2022工业过程控制多回路控制方案#1的闭环

5、响应8/20/2022工业过程控制多回路控制方案#2（C-F1, F-F2）8/20/2022工业过程控制调和过程多回路控制模型#28/20/2022工业过程控制多回路控制方案#2的闭环响应8/20/2022工业过程控制耦合过程的控制系统设计经合适输入输出变量配对后，若关联不大，则可采用常规的多回路PID控制器；尽管系统稳态关联严重，但主要控制通道动态特性差别较大，仍可通过调整PID参数，使各回路的工作频率拉开；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。8/20/2022工业过程控制解耦控制系统的设计前馈补偿法解耦原理：使y1与uc2无关联；使y2与uc1无关联8/20/202

6、2工业过程控制解耦控制系统的设计前馈补偿法（续）8/20/2022工业过程控制解耦控制系统的设计对角矩阵法8/20/2022工业过程控制解耦控制系统的设计对角矩阵法（续）8/20/2022工业过程控制解耦控制系统的设计单位矩阵法8/20/2022工业过程控制解耦控制系统的简化设计（稳态解耦法）8/20/2022工业过程控制解耦控制系统的实现1：初始化问题问题：若u1, u2为“手动”时，如何设定基本控制器Gc1输出的初始值，以便无扰动地投入“自动”？8/20/2022工业过程控制解耦控制系统的实现2：约束问题问题：当两回路均为“自动”时，若u2 在运行过程中受到了约束，两控制器有可能都驱使u1

7、趋向约束。8/20/2022工业过程控制改进的解耦控制方案8/20/2022工业过程控制调和过程的解耦控制举例8/20/2022工业过程控制调和过程解耦控制系统仿真被控过程：稳态工作点：Q0（ u10, u20, y10, y20）8/20/2022工业过程控制调和过程解耦控制仿真（续）模型：相对增益矩阵：问题：如何进行变量配对与解耦控制系统设计？8/20/2022工业过程控制调和过程多回路控制仿真模型#38/20/2022工业过程控制调和过程多回路控制响应8/20/2022工业过程控制调和过程动态线性解耦方案8/20/2022工业过程控制动态线性解耦闭环响应8/20/2022工业过程控制调和

8、过程线性静态解耦方案8/20/2022工业过程控制线性静态解耦系统闭环响应8/20/2022工业过程控制调和过程的部分静态解耦方案8/20/2022工业过程控制部分静态解耦系统闭环响应8/20/2022工业过程控制非线性静态解耦的一般结构+8/20/2022工业过程控制调和过程的非线性静态解耦+8/20/2022工业过程控制调和过程非线性静态解耦（续）+8/20/2022工业过程控制调和过程的非线性完全解耦8/20/2022工业过程控制非线性完全解耦控制仿真模型8/20/2022工业过程控制非线性静态解耦系统闭环响应8/20/2022工业过程控制MIMO耦合系统解耦控制小结应通过关联分析并选择

9、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。8/20/2022工业过程控制练习题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。8/20/2022工业过程控制流体输送设备控制自学思考题对于离心式流体输送设备（泵、压缩机），如何实现流量控制？对于容积式泵设备，如何实现流量控制？对于离心式压缩机，说明喘振现象与产生原因；掌握常用的防喘振方法与相应的控制系统；8/20/2022工业过程