解耦控制教学课件.ppt

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1、2021/10/10 星期日1MIMO过程的解耦控制戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所2002/04/232021/10/10 星期日2内 容b引 言b相对增益bMIMO系统的变量匹配b解耦控制系统的设计b解耦控制系统的实施b结 论2021/10/10 星期日3多变量控制系统设计方法n单变量控制系统（多回路控制）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。n解耦控制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。n多变量控制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

2、棒性较弱，通常要求建立对象模型。2021/10/10 星期日4多变量系统中的耦合基本问题基本问题：若采用SISO控制器，如何进行输入输出变量之间的配对？MIMO过程u1(s)u2(s)un(s)y1(s)y2(s)yn(s).2021/10/10 星期日5多回路PID 控制2021/10/10 星期日6相对增益的概念rujiijuypryjiijuyq 第一放大系数第一放大系数 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2021/10/1

3、0 星期日7相对增益的概念（续） uj至yi通道的相对增益相对增益：ijijijqp / 相对增益矩阵相对增益矩阵：nnnjnninijiinjnjnjniuuuuyyyy212122222111121121212021/10/10 星期日8相对增益系数的计算方法1u1(s)u2(s)y1(s)y2(s)22212122121111uKuKyuKuKy2221121111112KKKKuyqy221121121111KKKK输入输出稳态方程221212121111KuKyKuKy1111112Kuypu2021/10/10 星期日9相对增益系数的计算方法2Kuy 1,KHHyuijujiijK

4、uyprijyjiyijjiquyyuhrr11jiijijijijhpqpTTKKHK1注：上述计算公式中的 “” 为两矩阵对应元素的相乘！2021/10/10 星期日10相对增益系数的计算方法2 (续)333231232221131211KKKKKKKKKK例如：稳态增益：练习：计算11 ， 33 ，12 ，31 ?PPpijijijdet其中det P 是矩阵P 的行列式；Pij是矩阵P 的代数余子式。2021/10/10 星期日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相对增益矩阵中每行或每列的总和均为1；1detdetdet1det111PPPpPPPpnjijiji

5、jnjijnjij1detdetdet11PPPPpijniijniij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.2021/10/10 星期日12相对增益与耦合程度n当通道的相对增益接近于1，例如0.8 ij y20 C2 )：1010102010201010yuyuyuyu102120120102122010,yCCyCuyCCCyu21220212012120121220CCCyCCyCCCyCCCCy2021/10/10 星期日19变量配对举例（续）7. 分析结论( 假设C1 y20 C2 )：1010102

6、010201010yuyuyuyu（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。2021/10/10 星期日20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：80. 020. 020. 080. 0输入输出的正确配对：CFFF21,2021/10/10 星期日21多回路控制方案#1（F-F1, C-F2）FCACF1,

7、C1F2, C2F, C调和罐FCFC2021/10/10 星期日22调和过程多回路控制模型#12021/10/10 星期日23多回路控制方案#1的闭环响应2021/10/10 星期日24多回路控制方案#2（C-F1, F-F2）FCACF1, C1F2, C2F, C调和罐FCFC2021/10/10 星期日25调和过程多回路控制模型#22021/10/10 星期日26多回路控制方案#2的闭环响应2021/10/10 星期日27耦合过程的控制系统设计n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；n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P

8、ID参数，使各回路的工作频率拉开；n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。2021/10/10 星期日28解耦控制系统的设计前馈补偿法Gc2(s)D12(s)D21(s)Gc1(s)G11(s)G21(s)G12(s)G22(s)uc1uc2u1u2y1y2r1r2解耦原理解耦原理：使y1与uc2无关联；使y2与uc1无关联2021/10/10 星期日29解耦控制系统的设计前馈补偿法（续）1212112121ccuuuDuuDu2121121221211111ccuuDDDDuu212112222112111221211111ccuuDDGGGGDDyy0021222112

9、1211DGGGDG222121111212;GGDGGD2021/10/10 星期日30解耦控制系统的设计对角矩阵法Gc2(s)Gc1(s)G11(s)G21(s)G12(s)G22(s)uc1uc2u1u2y1y2r1r2D12(s)D21(s)D11(s)D22(s)2021/10/10 星期日31解耦控制系统的设计对角矩阵法（续）2122112122211211222112112100ccccuuGGuuDDDDGGGGyy22111222112112221121100GGGGGGDDDD2211112112222112221122211211001GGGGGGGGGGDDDD2021

10、/10/10 星期日32解耦控制系统的设计单位矩阵法21212221121122211211211001ccccuuuuDDDDGGGGyy1121122221122211122211211222112111GGGGGGGGGGGGDDDDGc2(s)Gc1(s)uc1uc2y1y2r1r2112021/10/10 星期日33解耦控制系统的简化设计（稳态解耦法）21212221121122211211211001ccccuuuuDDDDGGGGyy1121122221122211122211211222112111GGGGGGGGGGGGDDDD112112222112221122211211

11、1KKKKKKKKDDDD2021/10/10 星期日34解耦控制系统的实现1：初始化问题Gc2(s)Gc1(s)G11(s)G21(s)G12(s)G22(s)uc1uc2u1u2y1y2r1r2D12(s)D21(s)D11(s)D22(s)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”？2021/10/10 星期日35解耦控制系统的实现2：约束问题Gc2(s)Gc1(s)G11(s)G21(s)G12(s)G22(s)uc1uc2u1u2y1y2r1r2D12(s)D21(s)D11(s)D22(s)问题：问题：当两回路均为“自动”

12、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。2021/10/10 星期日36改进的解耦控制方案Gc2(s)D12(s)D21(s)Gc1(s)G11(s)G21(s)G12(s)G22(s)uc1uc2u1u2y1y2r1r22021/10/10 星期日37调和过程的解耦控制举例FCACF1, C1F2, C2F, C调和罐FCFC2021/10/10 星期日38调和过程解耦控制系统仿真212121,FFuuCFyy2122112211uuuCuCyuuy被控过程被控过程：稳态工作点稳态工作点：Q0（ u10, u20, y10, y20）2070,4060,5010

13、02120102010CCuuyy2021/10/10 星期日39调和过程解耦控制仿真（续）模型模型：)()() 110)(13() 110)(12(131121)()(2152252121sususseKsseKsssysyss3 . 0)()(, 2 . 0)()(2201010122222010202121uuuCCKuuuCCK6 . 04 . 04 . 06 . 0相对增益矩阵：问题：问题：如何进行变量配对与解耦控制系统设计？2021/10/10 星期日40调和过程多回路控制仿真模型#32021/10/10 星期日41调和过程多回路控制响应2021/10/10 星期日42调和过程动态

14、线性解耦方案2021/10/10 星期日43动态线性解耦闭环响应2021/10/10 星期日44调和过程线性静态解耦方案2021/10/10 星期日45线性静态解耦系统闭环响应2021/10/10 星期日46调和过程的部分静态解耦方案2021/10/10 星期日47部分静态解耦系统闭环响应2021/10/10 星期日48非线性静态解耦的一般结构PID2PID1v1v2y1y2y1, sp受控过程非线性串级补偿解耦器u1u2y2, sp),(),(21222111uufyuufy),(),(21222111vvguvvgu)()(222111vhyvhy+2021/10/10 星期日49调和过程

15、的非线性静态解耦+2122112211uuuCuCyuuy2122211uuuvuuv22112221211)()1 (vCCCvCvCyvy),(),(21222111uufyuufy),(),(21222111vvguvvgu)()(222111vhyvhy+2021/10/10 星期日50调和过程非线性静态解耦（续）+2122112211uuuCuCyuuy2122211uuuvuuv22112221211)()1 (vCCCvCvCyvy2122211uuuvuuv212211)1 (vvuvvu2021/10/10 星期日51调和过程的非线性完全解耦FCACF, C调和罐FCFCv2

16、v1F2, C2F1, C1u2u1+-2021/10/10 星期日52非线性完全解耦控制仿真模型2021/10/10 星期日53非线性静态解耦系统闭环响应2021/10/10 星期日54MIMO耦合系统解耦控制小结n应通过关联分析并选择合适的输入输出配对:41. 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；42. 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。n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。2021/10/10 星期日55练习题巳知过程的开环稳态增益矩阵111061. 073. 036. 036. 058. 0K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。2021/10/10 星期日56流体输送设备控制自学思考题n对于离心式流体输送设备（泵、压缩机），如何实现流量控制？n对于容积式泵设备，如何实现流量控制？n对于离心式压缩机，说明喘振现象与产生原因；n掌握常用的防喘振方法与相应的控制系统；2021/10/10 星期日57传热设备控制要求1、掌握换热器出口温度的控制方案与对象静态特性；2、了解加热炉的常用控制方案；3、掌握汽包水位的对象特点与控制方案；4、掌握锅炉设备燃料与空气逻辑变比值控制系统的分析与设计方法；5、了解锅炉设备过热蒸汽温度的控制问题与常用的控制方法。