河南工业大学过程控制12

主要内容解耦控制系统相对增益对角矩阵解耦法前馈补偿解耦法比值控制系统单闭环比值控制双闭环比值控制变比值控制变量耦合所谓“耦合”是指不同的控制系统，控制参数与被控参数之间存在相互影响。多变量过程控制系统中，子系统间耦合是经常存在的。若耦合程度不高，可认为各子系统间相对独立，按单变量系统进行分析与设计。若关联紧密，就不能将大系统简单分解。否则不但得不到满意的控制效果，甚至得不到稳定的控制过程。一个耦合系统的例子—混合搅拌系统

两种工质A、B均匀混合搅拌。控制参数：m1=FA、m2=FB；被控参数：输出量F=FA+FB及混合后的成份x=FA/F，即y1=X，y2=F。相对增益的定义为了衡量一个选定的控制量与其配对的被控量间的影响程度，引入相对增益概念。若某通道的被控量记作，其控制量记作，则该通道的相对增益定义为：分子表示所有回路均开环（即其他控制量均不变）时，该通道的开环增益（第一增益）；分母表示其他回路闭环（即其他回路控制量在调整，而其对应的被控量均不变）时，该通道的开环增益（第二增益）。基于定义的相对增益求法首先，在所有回路均开环情况下，改变，得到，确定该通道的第一增益；然后，在所有其他回路都闭环情况下，由于发生变化，变成了，据此确定该通道的第二增益。本方法称为在线实验法，较麻烦，且生产上常常不允许。相对增益的意义相对增益的大小反映了某个控制通道的作用强弱和其它通道对它耦合的强弱比较；相对增益可作为选择控制通道的依据。相对增益矩阵及性质的值愈接近于1，则说明第

个被控量相对于第

个控制量间的耦合程度越大，其控制效果也就越明显。可以证明，多变量系统相对增益矩阵中每行（列）上的相对增益总和为1。这可以用来简化计算。相对增益矩阵一般为方阵。基于输出检测确定相对增益举例混合搅拌相对增益的物理意义1.若x≤50%，说明用FA控制x较好；2.反之，若x≥50%，说明用FA控制F较好。相对增益的几点结论1.若某一对变量的相对增益愈接近于1，则表明其他通道对本通道的影响将很小，这一对变量配对是合理的。2.若矩阵中各元素数值相近，则此时变量间的关联最为严重。3.若有的元素大于1，则在其同行（及同列）中必有一个负数。相对增益出现负值时称为负耦合，构成闭环时形成正反馈，控制系统不稳定。常用解耦设计方法1.适当选择变量配对，将大系统分解为若干相对独立的子系统。2.对角矩阵解耦法（含单位矩阵解耦法）。3.前馈补偿解耦法，是目前工业上应用最普遍的一种解耦方法。对角矩阵解耦法思路：采用解耦网络将耦合系统化为对角阵。现状：手段：目标：对角矩阵解耦法（续）对角矩阵解耦网络单位矩阵解耦网络思路：不仅化为对角阵，而且使对角阵化为单位阵。不但消除了耦合，也改变了等效被控对象的特性，由于此时对象特性为1，理论上极大提高了系统的稳定性。缺点：解耦网络模型可能难以实现。前馈补偿解耦法将有耦合的控制参数当作扰动量，根据不变性原理设计前馈补偿解耦网络。解耦网络较对角阵解耦简洁，工业应用广泛。解耦系统的简化不管是单位矩阵解耦或前馈解耦，解耦模型往往十分复杂。对耦合对象模型进行简化处理，若最大时间常数与最小的时间常数相差较大，可忽略最小时间常数。对解耦网络模型进行简化处理，即静态解耦。静态解耦能在一定程度上减小被控参数变化的幅值，尽管会存在动态偏差，但其幅值已相应减小。静态解耦是一种基本而有效的解耦方法。比值控制系统

定义：两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统。

例如：燃烧过程中，为保证燃烧经济性，需保持燃料量和空气量按一定比例混合后送入炉膛；造纸过程中，为保证纸浆浓度，必须控制纸浆量和水量按一定的比例混合。主动量和从动量比值控制系统中，起主导作用的物料流量一般为主动量q1。如燃烧过程中的燃料量、造纸中的纸浆量；随主动量变化的物料流量称为从动量q2。如燃烧过程中的空气量、造纸中的水量。q2与q1保持一定的比值，即：比值控制方案根据工业生产过程的不同需求，有3种常用的比值控制方案：单闭环比值控制；双闭环比值控制；变比值控制。单闭环或双闭环比值控制中，比值系数固定不变；而变比值控制中，比值系数可变。单闭环比值控制

从动量q2是一个闭环控制系统；主动量q1开环，

Wc1(s)=k；q2

的给定是kq1

，故从动量又是一个随动控制系统。特点：结构简单，可克服作用于从动量回路中的扰动，应用于主动量可测不可控场合。双闭环比值控制

由一个定值控制的主动量回路和一个跟随主动量变化的从动量控制回路组成。特点：实现主动量定值控制，使总物料量稳定。可克服主动量和从动量的扰动，适用于要求负荷变化平稳的场合，但控制稍复杂。变比值控制

不管是单闭环或双闭环比值控制系统，其控制的目的就是要保证两种物料流量的比值固定不变。变比值控制中，比值只是手段，而不是最终目的。变比值控制系统通过控制流量比值，来实现第三参数的稳定不变。本质上是一个以第三参数为主参数、以流量比为副参数的串级控制系统。第三参数往往是产品质量指标。

变比值控制的例子变比值控制系统设计举例--需求分析工艺与控制要求：产量基本稳定；磨机内部磨矿浓度稳定。对于一段磨机，若给矿量稳定，系统按比例控制给水量，可以初步稳定一段磨机内的浓度。受原矿性质、磨机排矿速度变化等因素的影响，若仅以固定比值控制给水，难以保证磨矿浓度，甚至会造成磨机“胀肚”等设备事故。变比值控制系统设计举例--控制方案对一段磨机而言，浓度发生变化后，要求矿和水两种物料流量的比值要随之变化，决定采用变比值控制方案。

主动量为磨矿浓度；从动量为矿和水两种物料流量的比值。在从动量调节过程中，由于矿量是生产负荷，起主导地位，故以调节水量为主来改变比值。变比值控制系统设计举例--控制