第6-8章解耦控制系统

1、过程控制,6-8 解耦控制系统,6-8 解耦控制系统,6-8-1 被控过程的耦合现象及对控制过程的影响 6-8-2 解耦控制系统设计 1.前馈补偿解耦设计 2.对角矩阵解耦设计 3.单位矩阵解耦设计 6-8-3解耦控制的进一步讨论 1.控制变量与被控参数的配对 2.部分解耦 3.解耦环节的简化,6-8 解耦控制系统,前面讨论的都是一个控制变量控制一个被控参数的单变量控制系统。而有一些生产过程中，被控参数和控制变量往往不止一对，需要设置若干个控制回路，才能对生产过程中的多个被控参数进行准确、稳定地控制。 为了消除或减小控制回路之间的影响，可在各调节器之间建立附加的外部联系，通过对这些联系进行整定

2、，使每个控制变量仅对与其配对的一个被控制参数发生影响，而对其它的被控参数不发生影响，或者影响很小，使各被控参数和控制变量的相互耦合消除或大为减小。 把具有相互关联的多参数控制过程转化为几个彼此独立的单输入-单输出控制过程来处理，实现一个调节器只对其对应的被控过程独立地进行调节。这样的系统称为解耦控制系统（或自治控制系统）。,6-8-1 被控过程的耦合现象及对控制过程的影响,精馏塔温度控制系统,6-8-2 解耦控制系统设计,对于耦合系统，如采取单变量系统设计，尽管可通过仔细地调整调节器参数改善控制品质，但耦合严重的系统，还是需要进行解耦控制设计，否则系统不稳定。常用有效的系统设计方法有：,前馈补

3、偿法 对角矩阵法 单位矩阵法,6-8-2 解耦控制系统设计,1.前馈补偿解耦是最早用于多变量控制系统耦合的方法,根据不变性原理只要使：,就可使系统解耦，等效系统为,前馈补偿,6-8-2 解耦控制系统设计,2. 对角矩阵法,补偿网络,选择,6-8-2 解耦控制系统设计,等效系统为,两个单变量系统,这种解耦方法不仅可以解除耦合，还可改善单变量对象特性。但通过矩阵运算求得解耦环节的数学模型，只是求得的解耦环节会随着变量维数的增多越来越复杂，实现起来将更为困难。,6-8-2 解耦控制系统设计,3. 单位矩阵法,补偿网络,同对角矩阵法，只需选择,满足,6-8-2 解耦控制系统设计,等效系统为,两个单变量

4、系统,这种解耦方法不仅可以解除耦合，而且等效对象为1，具有很强的稳定性。但解耦网络更为复杂，往往难以实现。在大多数情况下，解耦环节在物理上和工程实际中是无法精确实现的。,6-8-3解耦控制的进一步讨论,1. 控制变量与被控参数的配对 对匹配关系比较明显的多变量系统，凭经验就可确定控制变量与被控参数之间的配对关系； 而对关联关系比较复杂的多变量控制过程，需要进行深入的分析才能确定控制变量与被控参数之间的配对关系。由Bristol提出的相对增益的概念，及用相对增益评价变量之间的耦合程度、确定被控参数与控制变量间的匹配关系和判断系统是否需要解耦的分析方法，通常称为Bristol-Shinskey法，

5、是现在多变量耦合系统选择变量配对的常用方法。,6-8-3解耦控制的进一步讨论,相对增益：一个调节量i对一个被调量的yj的影响设系统的开环增益矩阵为P，记作：,1. 相对增益定义,6-8-3解耦控制的进一步讨论,2.相对增益的计算：j i 通道 第一次计算只有第j个操纵变量变化，其它各操纵变量均维持不变的增益（其他回路处于开环）： 第二次计算其它各操纵变量都变化（所有回路闭环控制）的增益： 于是，j i 通道的相对增益为：,元素组成的矩阵为相对增益矩阵,6-8-3解耦控制的进一步讨论,横加,纵加,推广之，则有,对于双变量系统,6-8-3解耦控制的进一步讨论,6-8-3解耦控制的进一步讨论,（1）

6、ij=1，其它回路闭合与否对本通道没有影响，即，该通道的控制回路与其它系统没有关联； （2）ij1，其它回路闭合对本通道有影响，即，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变小，负关联。（ij越大关联越大） （3）ij1，其它回路闭合对本通道有影响，即，该通道的控制回路与其它系统有关联，这种关联使得本回路增益变大，正关联。（ij越小关联越大）,6-8-3解耦控制的进一步讨论,（4）ij=0，其它回路开环时，ui对yi没有影响，j i 通道的控制回路不能构成 （5）ij0，其它回路闭合时，本回路将变成不稳定（条件稳定回路） （6）ij=，只有在其它回路开环时，才能用ui控制yi，

7、即此通道的控制回路才能成立。 可见，可根据ij对1的偏离程度大小判断关联程 度,6-8-3解耦控制的进一步讨论,3.削弱或消除系统间关联的方法 关键：深入仔细分析关联的产生 方法：通过工艺分析，找出关联，并提出解决关联的方法 若能计算相对增益（矩阵），可进行量化分析 （1）按照变量配对，若均在1的附近，说明关联不大，此时，可采用控制系统参数整定的方法，即拉开工作频率范围，可以削弱关联的影响； （2）若相对增益都离1较远，说明彼此关联较厉害，必须从控制系统设计入手解决，如采用解耦控制方案； （3）相对增益有些离1远，有些在1附近，可采用重新变量配对，再进行处理。,6-8-3解耦控制的进一步讨论,

8、2.部分解耦 部分解耦是指在存在耦合的被控过程中，只对其中的某些耦合采取解耦措施，而对另一部分耦合不进行解耦。 （1）被控参数的相对重要性不同。对那些重要的被控参数，控制要求高，最好采用解耦环节消除或减少其他控制变量对它的耦合。而对那些相对不重要的被控参数和通道，可允许由于耦合存在所引起的控制性能的降低，以减少解耦装置的复杂程度。 （2）各个被控参数对输入和扰动的响应速度是不一样的，例如温度、成分等参数响应较慢，压力、流量等参数响应较快。响应快的被控参数受响应慢的参数的影响小，后者对前者的耦合因素可以不考虑；而响应慢的参数受来自响应快的参数的影响大，因此在部分解耦设计时，往往对响应慢的参数受到的耦合要进行解耦。,6-8-3解耦控制的进一步讨论,3.解耦环节的简化 从解耦设计的讨论可以看出，解耦环节的复杂程度与被控过程特性密切相关。被控过程传递函数越复杂，维数越高，解耦环节实现越困难。如果对求出的解耦环节进行适当简化，可使解耦易于实现。简化可以从以下两个方面考虑： 1.降低模型阶数 2.静态解耦,6-8-3解耦控制的进一步讨论,如果存在小时间常数，它与其他时间常数的比值接近1/10或更小，则可将此小时间常数忽略，降低过程模型阶数。如果几个时间常数值相近，也可取同一值代替，这样可以简化解耦环节结构，便于实现。,1.降低模型