浙大工业过程控制10解耦控制

1、2020/8/12,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,2020/8/12,课件,2,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,2020/8/12,课件,3,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。,2020/8/12

2、,课件,4,多变量系统中的耦合,基本问题：若采用SISO控制器，如何进行 输入输出变量之间的配对？,2020/8/12,课件,5,多回路PID 控制,2020/8/12,课件,6,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,2020/8/12,课件,7,相对增益的概念（续）,uj至yi通道的相对增益：,相对增益矩阵：,2020/8/12,课件,8,相对增益系数的计算方法1,输入输出稳态方程,2020/8/12,课件,9,

3、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！,2020/8/12,课件,10,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。,2020/8/12,课件,11,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.,2020/8/12,课件,12,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 1.2，

4、则表明其它通道对该通道的关联作用很小; 当相对增益小于零或接近于零时，说明使用本通道调节器不能得到良好的控制效果。或者说，这个通道的变量选配不适当，应重新选择。 当相对增益在0.3到0.7之间或者大于1.5时，则表明系统中存在着非常严重的耦合。需要考虑进行解耦设计或采用多变量控制系统设计方法。,2020/8/12,课件,13,变量配对举例(调和过程),为非线性 系统！,2020/8/12,课件,14,变量配对举例（续）,1. 设定稳态工作点：Q0（u10, u20, y10, y20）,2. 稳态工作点 Q0 附近偏差化,2020/8/12,课件,15,变量配对举例（续）,3. 工作点 Q0

5、附近线性化,2020/8/12,课件,16,变量配对举例（续）,4. 对于稳态工作点 Q0 计算某一相对增益：,2020/8/12,课件,17,变量配对举例（续）,5. 利用相对增益的性质计算相对增益矩阵：,2020/8/12,课件,18,变量配对举例（续）,6. 进行合适的变量配对 ( 假设C1 y20 C2 )：,2020/8/12,课件,19,变量配对举例（续）,7. 分析结论( 假设C1 y20 C2 )：,（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

6、法，例如解耦设计。,2020/8/12,课件,20,调和过程工况举例1,F1= 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：,2020/8/12,课件,21,多回路控制方案#1（F-F1, C-F2）,2020/8/12,课件,22,调和过程多回路控制模型#1,2020/8/12,课件,23,多回路控制方案#1的闭环响应,2020/8/12,课件,24,多回路控制方案#2（C-F1, F-F2）,2020/8/12,课件,25,调和过程多回路控制模型#2,2020/8

7、/12,课件,26,多回路控制方案#2的闭环响应,2020/8/12,课件,27,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。,2020/8/12,课件,28,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,2020/8/12,课件,29,解耦控制系统的设计前馈补偿法（续）,2020/8/12,课件,30,解耦控制系统的设计对角矩阵法,2020/

8、8/12,课件,31,解耦控制系统的设计对角矩阵法（续）,2020/8/12,课件,32,解耦控制系统的设计单位矩阵法,2020/8/12,课件,33,解耦控制系统的简化设计（稳态解耦法）,2020/8/12,课件,34,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”？,2020/8/12,课件,35,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趋向约束。,2020/8/12,课件,36,改进的解耦控制方案,2020/8/12,课件,37

9、,调和过程的解耦控制举例,2020/8/12,课件,38,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）,2020/8/12,课件,39,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？,2020/8/12,课件,40,调和过程多回路控制仿真模型#3,2020/8/12,课件,41,调和过程多回路控制响应,2020/8/12,课件,42,调和过程动态线性解耦方案,2020/8/12,课件,43,动态线性解耦闭环响应,2020/8/12,课件,44,调和过程线性静态解耦方案,2020/8/12,课件,

10、45,线性静态解耦系统闭环响应,2020/8/12,课件,46,调和过程的部分静态解耦方案,2020/8/12,课件,47,部分静态解耦系统闭环响应,2020/8/12,课件,48,非线性静态解耦的一般结构,+,2020/8/12,课件,49,调和过程的非线性静态解耦,+,+,2020/8/12,课件,50,调和过程非线性静态解耦（续）,2020/8/12,课件,51,调和过程的非线性完全解耦,2020/8/12,课件,52,非线性完全解耦控制仿真模型,2020/8/12,课件,53,非线性静态解耦系统闭环响应,2020/8/12,课件,54,MIMO耦合系统解耦控制小结,应通过关联分析并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。,2020/8/12,课件,55,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。,2020/8/12,课件,56,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