10-解耦控制.ppt

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,2021/10/10 星期日,*,*,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,2002/04/23,2021/10/10 星期日,1,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,2021/10/10 星期日,2,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。,2021/10/10 星期日,3,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？,2021/10/10 星期日,4,多回路,PID 控制,2021/10/10 星期日,5,相对增益的概念,第一放大系数,p,ij,：,在其它控制量,u,r,(,r,j,),均不变的前提下，,u,j,对,y,i,的开环增益,第二放大系数,p,ij,：,在利用控制回路使其它被控量,y,r,(,r,i,),均不变的前提下，,u,j,对,y,i,的开环增益,2021/10/10 星期日,6,相对增益的概念（续）,u,j,至,y,i,通道的,相对增益,：,相对增益矩阵,：,2021/10/10 星期日,7,相对增益系数的计算方法,1,输入输出稳态方程,2021/10/10 星期日,8,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！,2021/10/10 星期日,9,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；,P,ij,是矩阵,P,的代数余子式。,2021/10/10 星期日,10,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,u,j,与,y,i,之间的稳态增益受其它回路的影响程度.,2021/10/10 星期日,11,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,y,20,C,2,)：,2021/10/10 星期日,18,变量配对举例（续）,7.分析结论(假设,C,1,y,20,C,2,)：,（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,19,调和过程工况举例1,F,1,=80 T/hr，,F,2,=20 T/hr，,F,=100 T/hr；,C,1,=75%，,C,2,=25%，,C,=64%。,相对增益矩阵为：,输入输出的正确配对：,2021/10/10 星期日,20,多回路控制方案#1（,F-F,1,C-F,2,）,2021/10/10 星期日,21,调和过程多回路控制模型#1,2021/10/10 星期日,22,多回路控制方案#1的闭环响应,2021/10/10 星期日,23,多回路控制方案#2（,C-F,1,F-F,2,）,2021/10/10 星期日,24,调和过程多回路控制模型#2,2021/10/10 星期日,25,多回路控制方案#2的闭环响应,2021/10/10 星期日,26,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。,2021/10/10 星期日,27,解耦控制系统的设计前馈补偿法,解耦原理,：使,y,1,与,u,c,2,无关联；使,y,2,与,u,c,1,无关联,2021/10/10 星期日,28,解耦控制系统的设计前馈补偿法（续）,2021/10/10 星期日,29,解耦控制系统的设计对角矩阵法,2021/10/10 星期日,30,解耦控制系统的设计对角矩阵法（续）,2021/10/10 星期日,31,解耦控制系统的设计单位矩阵法,2021/10/10 星期日,32,解耦控制系统的简化设计（稳态解耦法）,2021/10/10 星期日,33,解耦控制系统的实现1：初始化问题,问题：,若,u,1,u,2,为“手动”时，如何设定基本控制器,G,c,1,输出的初始值，以便无扰动地投入“自动”？,2021/10/10 星期日,34,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,u,2,在运行过程中受到了约束，两控制器有可能都驱使,u,1,趋向约束。,2021/10/10 星期日,35,改进的解耦控制方案,2021/10/10 星期日,36,调和过程的解耦控制举例,2021/10/10 星期日,37,调和过程解耦控制系统仿真,被控过程,：,稳态工作点,：,Q,0,（,u,10,u,20,y,10,y,20,）,2021/10/10 星期日,38,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？,2021/10/10 星期日,39,调和过程多回路控制仿真模型#3,2021/10/10 星期日,40,调和过程多回路控制响应,2021/10/10 星期日,41,调和过程动态线性解耦方案,2021/10/10 星期日,42,动态线性解耦闭环响应,2021/10/10 星期日,43,调和过程线性静态解耦方案,2021/10/10 星期日,44,线性静态解耦系统闭环响应,2021/10/10 星期日,45,调和过程的部分静态解耦方案,2021/10/10 星期日,46,部分静态解耦系统闭环响应,2021/10/10 星期日,47,非线性静态解耦的一般结构,+,2021/10/10 星期日,48,调和过程的非线性静态解耦,+,+,2021/10/10 星期日,49,调和过程非线性静态解耦（续）,+,2021/10/10 星期日,50,调和过程的非线性完全解耦,2021/10/10 星期日,51,非线性完全解耦控制仿真模型,2021/10/10 星期日,52,非线性静态解耦系统闭环响应,2021/10/10 星期日,53,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。,2021/10/10 星期日,54,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。,2021/10/10 星期日,55,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；,2021/10/10 星期日,56,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。,2021/10/10 星期日,57,