第6講 復雜控制策略

1、過過 程程 控控 制制 系系 統(tǒng)統(tǒng)主講人：錢艷平主講人：錢艷平2010.092過程控制策略過程控制策略n開關（開關（ON/OFF）控制）控制nPID控制控制uPID控制算法、數字控制算法、數字PID算法算法uPID改進算法改進算法n復雜過程控制復雜過程控制u串級控制、前饋控制、解耦控制等串級控制、前饋控制、解耦控制等n先進過程控制（先進過程控制（APC）u預測控制、智能控制等預測控制、智能控制等3第六講第六講 復雜控制策略復雜控制策略n6.1 串級控制串級控制n6.2 前饋及時滯控制前饋及時滯控制n6.3 解耦控制解耦控制n6.4 比值控制比值控制n6.5 均勻及超馳控制均勻及超馳控制n6.6

2、 分程控制分程控制46.1 串級控制串級控制n6.1.1 引言引言溫度單回路控制系統(tǒng)：溫度單回路控制系統(tǒng)：若溫度變化較大，若溫度變化較大，如何解決？如何解決？TTTC飽和蒸汽飽和蒸汽加熱物料加熱物料56.1.1 引言引言n人工控制的解決辦法人工控制的解決辦法u仿照人工操作，仿照人工操作，不僅觀察容器不僅觀察容器內的溫度，還要觀察入口蒸汽流量內的溫度，還要觀察入口蒸汽流量！u溫度低，則開大蒸汽閥門；若蒸汽流量不夠，及時溫度低，則開大蒸汽閥門；若蒸汽流量不夠，及時再開大閥門，直到得到希望的溫度為止。再開大閥門，直到得到希望的溫度為止。u若不觀察蒸汽流量量，只開大或關小閥門的，則很若不觀察蒸汽流量量

3、，只開大或關小閥門的，則很有可能調節(jié)過頭或感覺不及時！有可能調節(jié)過頭或感覺不及時！u這其實就是過程控制中所謂的這其實就是過程控制中所謂的“串級控制串級控制”思想。思想。TTTC66.1.1 引言引言n溫度串級控制解決方案溫度串級控制解決方案76.1.1 引言引言n溫度串級控制解決方案溫度串級控制解決方案n與單回路控制相比，增加了一個流量計和一個流量控與單回路控制相比，增加了一個流量計和一個流量控制器。制器。86.1.2 串級控制結構及特點串級控制結構及特點n（一）串級控制的結構（一）串級控制的結構96.1.2 串級控制結構及特點串級控制結構及特點n（二）串級控制的特點（二）串級控制的特點u1、

4、串級控制系統(tǒng)有主、副兩個閉合回路。、串級控制系統(tǒng)有主、副兩個閉合回路。 主回路是定值控制系統(tǒng)，而副回路是隨動控制系統(tǒng)。主回路是定值控制系統(tǒng)，而副回路是隨動控制系統(tǒng)。u2、副回路具有先調、粗調、快調的特點；主回路、副回路具有先調、粗調、快調的特點；主回路具有后調、細調、慢調的特點，并對于副回路沒有具有后調、細調、慢調的特點，并對于副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。106.1.3 串級控制性能分析及仿真串級控制性能分析及仿真n（一）串級控制性能分析（一）串級控制性能分析u1、增強系統(tǒng)的抗干擾能力、增強系統(tǒng)的抗干擾能力 串級控制系統(tǒng)的副環(huán)能夠有效地克服

5、串級控制系統(tǒng)的副環(huán)能夠有效地克服二次擾動的影響。二次擾動的影響。116.1.3 串級控制性能分析及仿真串級控制性能分析及仿真n（一）串級控制性能分析（一）串級控制性能分析u2、改善對象動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率、改善對象動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率 串級控制系統(tǒng)的副環(huán)具有較快的響應串級控制系統(tǒng)的副環(huán)具有較快的響應速度，提高了系統(tǒng)的工作效率。速度，提高了系統(tǒng)的工作效率。126.1.4 串級控制設計串級控制設計n（二）主、副對象的時間常數匹配（二）主、副對象的時間常數匹配u1、若副回路設計得太大，主、副對象時間常數比、若副回路設計得太大，主、副對象時間常數比較接近，易引起較接近，易引起“共振共振

6、”問題。問題。 u2、串級控制系統(tǒng)的主、副回路既獨立又密切相關。、串級控制系統(tǒng)的主、副回路既獨立又密切相關。136.1.4 串級控制設計串級控制設計n（三）（三）主副控制器控制規(guī)律的選擇主副控制器控制規(guī)律的選擇u主控制器一般選主控制器一般選PI或或PID控制規(guī)律；控制規(guī)律；u副控制器一般選副控制器一般選P或或PI控制規(guī)律：控制規(guī)律：n對于溫度副回路過程，若采用積分，會減弱副回對于溫度副回路過程，若采用積分，會減弱副回路的快速作用；但對流量副回路過程常采用路的快速作用；但對流量副回路過程常采用PIPI規(guī)規(guī)律。律。n作為隨動環(huán)節(jié)，由于給定值經常變化，顯然不宜作為隨動環(huán)節(jié)，由于給定值經常變化，顯然不

7、宜引入微分規(guī)律。若確需引入，可采用微分先行規(guī)引入微分規(guī)律。若確需引入，可采用微分先行規(guī)律。律。146.1.4 串級控制設計串級控制設計n（四）（四）串級控制系統(tǒng)投運串級控制系統(tǒng)投運u先副回路，后主回路；先副回路，后主回路；u副回路或主回路投運步驟與單回路相同。副回路或主回路投運步驟與單回路相同。u無擾動切換。無擾動切換。156.1.4 串級控制設計串級控制設計n（五）（五）串級控制系統(tǒng)參數整定串級控制系統(tǒng)參數整定u串級控制系統(tǒng)主回路是一個定值控制系統(tǒng)，要求主串級控制系統(tǒng)主回路是一個定值控制系統(tǒng)，要求主參數有較高的控制精度，其品質指標與單回路定值參數有較高的控制精度，其品質指標與單回路定值控制系

8、統(tǒng)一樣。控制系統(tǒng)一樣。u副回路是一個隨動系統(tǒng)，只要求副參數能快速而準副回路是一個隨動系統(tǒng)，只要求副參數能快速而準確地跟隨主控制器的輸出變化即可。確地跟隨主控制器的輸出變化即可。 u在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)采用先副后主的整定在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)采用先副后主的整定方式。方式。166.1.4 串級控制設計串級控制設計n（五）（五）串級控制系統(tǒng)參數整定串級控制系統(tǒng)參數整定u整定步驟整定步驟: :n斷開主回路，把副回路按單回路控制系統(tǒng)的參數斷開主回路，把副回路按單回路控制系統(tǒng)的參數整定，求取副控制器的整定參數值。整定，求取副控制器的整定參數值。 n閉合主回路，將副回路作為一個等效環(huán)節(jié)，按單閉合主

9、回路，將副回路作為一個等效環(huán)節(jié)，按單回路整定方法，求取主控制器的整定參數值。回路整定方法，求取主控制器的整定參數值。176.1.5 串級控制應用實例串級控制應用實例n主要應用場合：主要應用場合：u用于克服被控過程較大的容量滯后或純滯后；用于克服被控過程較大的容量滯后或純滯后； u用于抑制變化劇烈而且幅度較大的擾動；用于抑制變化劇烈而且幅度較大的擾動；u用于克服被控過程的非線性。用于克服被控過程的非線性。186.1.5 串級控制應用實例串級控制應用實例 n在冶金行業(yè)選礦在冶金行業(yè)選礦工藝中，大量使工藝中，大量使用礦石破碎機對用礦石破碎機對礦石進行破碎。礦石進行破碎。n破碎系統(tǒng)的主體破碎系統(tǒng)的主體

10、設備是破碎機，設備是破碎機，要求給礦料位穩(wěn)要求給礦料位穩(wěn)定。定。 196.1.5 串級控制應用實例串級控制應用實例n下礦量的波動（如粒度、下礦量的波動（如粒度、粘度發(fā)生變化）是系統(tǒng)中粘度發(fā)生變化）是系統(tǒng)中的一個主要擾動。的一個主要擾動。n若僅以機腔料位作為被控若僅以機腔料位作為被控參數構成單回路控制系統(tǒng)，參數構成單回路控制系統(tǒng)，當擾動發(fā)生后，由于給礦當擾動發(fā)生后，由于給礦皮帶的傳輸需要一定的時皮帶的傳輸需要一定的時間，即存在純滯后，單回間，即存在純滯后，單回路控制系統(tǒng)往往會引起很路控制系統(tǒng)往往會引起很大的超調，甚至振蕩。大的超調，甚至振蕩。 206.1.5 串級控制應用實例串級控制應用實例n為

11、了克服系統(tǒng)的純滯后，決定采用串級控制：為了克服系統(tǒng)的純滯后，決定采用串級控制：即在給礦皮帶上安裝皮帶秤，以給礦量為副參即在給礦皮帶上安裝皮帶秤，以給礦量為副參數、以機腔料位為主參數構成串級控制系統(tǒng)數、以機腔料位為主參數構成串級控制系統(tǒng)。216.1.5 串級控制應用實例串級控制應用實例n主控制器（料位控制器）采用主控制器（料位控制器）采用PI規(guī)律，反作用；規(guī)律，反作用；n副控制器（礦量控制器）采用副控制器（礦量控制器）采用PI規(guī)律，反作用。規(guī)律，反作用。n投運：先皮帶秤、料位計投運；手動操縱電液投運：先皮帶秤、料位計投運；手動操縱電液推桿控制下礦量；穩(wěn)定運行一段時間后無擾動推桿控制下礦量；穩(wěn)定運

12、行一段時間后無擾動切換，并整定。切換，并整定。226.2 前饋及時滯控制前饋及時滯控制 n前饋控制前饋控制u結構、原理及特點結構、原理及特點u靜態(tài)前饋、動態(tài)前饋靜態(tài)前饋、動態(tài)前饋u前饋前饋-反饋復合控制系統(tǒng)反饋復合控制系統(tǒng)n時間滯后控制系統(tǒng)時間滯后控制系統(tǒng)uSmith預估補償方案預估補償方案u采樣控制方案采樣控制方案236.2.1 前饋控制前饋控制 n（一）引言（一）引言u原油加熱爐出口溫度的控制原油加熱爐出口溫度的控制若原油流量是主要擾動，那么該如何處理？若原油流量是主要擾動，那么該如何處理？T1TT2C燃料原油T1CT2T原油是生產原油是生產負荷！不可負荷！不可調節(jié)。調節(jié)。246.2.1

13、前饋控制前饋控制 u人工控制的基本思想人工控制的基本思想（1）若原油流量不可調節(jié)，）若原油流量不可調節(jié)，而擾動幅度又大，則可測量而擾動幅度又大，則可測量原油流量，據此及時調節(jié)燃原油流量，據此及時調節(jié)燃料閥門的開度，以減少對出料閥門的開度，以減少對出口溫度的影響?？跍囟鹊挠绊?。 （2）這就是所謂）這就是所謂“前饋控制前饋控制（Feed Forward）”的基的基本思想：若無法控制此擾動，本思想：若無法控制此擾動，則測量它，且不等擾動影響則測量它，且不等擾動影響到被控量就提前及時調節(jié)。到被控量就提前及時調節(jié)。25（二）前饋控制的結構（二）前饋控制的結構u 前饋控制器；前饋控制器； u 過程控制通道

14、傳遞函數；過程控制通道傳遞函數； u 過程擾動通道傳遞函數。過程擾動通道傳遞函數。)(sGff)(sGp)(sGd開環(huán)結構開環(huán)結構26（三）前饋控制設計原理（三）前饋控制設計原理 n1 1、“不變性不變性”原理原理u在擾動作用下，使控制系統(tǒng)的被控量與擾動作用完在擾動作用下，使控制系統(tǒng)的被控量與擾動作用完全無關（或在一定準確度下無關）。全無關（或在一定準確度下無關）。27（三）前饋控制設計原理（三）前饋控制設計原理 n2 2、前饋控制器、前饋控制器u由不變性原理由不變性原理, ,前饋控制器是由過程擾動通道與控前饋控制器是由過程擾動通道與控制通道特性之比決定的，即：制通道特性之比決定的，即：)()

15、()(sGsGsGpdff 28（三）前饋控制設計原理（三）前饋控制設計原理 n3 3、前饋控制的必要條件、前饋控制的必要條件u“可測可測”：指擾動量可以通過測量變送器，在線地：指擾動量可以通過測量變送器，在線地將其轉換為前饋補償器所能按受的信號。將其轉換為前饋補償器所能按受的信號。u“不可控不可控”：指這些擾動量不可以通過控制回路予：指這些擾動量不可以通過控制回路予以控制。以控制。 如之前的生產負荷。如之前的生產負荷。294 4、前饋控制與反饋控制比較、前饋控制與反饋控制比較反饋控制反饋控制前饋控制前饋控制控制依據控制依據基于偏差來消除偏差。基于偏差來消除偏差。基于擾動來消除擾動對被控基于擾

16、動來消除擾動對被控量的影響。量的影響。控制作用控制作用發(fā)生時間發(fā)生時間總要等到引起被控量發(fā)生偏差總要等到引起被控量發(fā)生偏差后，控制器才動作，是一種后，控制器才動作，是一種“不及時不及時”的控制。的控制。擾動發(fā)生后，前饋控制器擾動發(fā)生后，前饋控制器“及時及時”動作。動作。控制結構控制結構閉環(huán)控制。存在穩(wěn)定性問題。閉環(huán)控制。存在穩(wěn)定性問題。開環(huán)控制。只要各環(huán)節(jié)穩(wěn)定，開環(huán)控制。只要各環(huán)節(jié)穩(wěn)定，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。校正范圍校正范圍可消除被包圍在閉環(huán)內的一切可消除被包圍在閉環(huán)內的一切擾動對被控量的影響。擾動對被控量的影響。只對被前饋的擾動有校正作只對被前饋的擾動有校正作用，具有指定性

17、補償局限性。用，具有指定性補償局限性?？刂埔?guī)律控制規(guī)律通常是通常是P、PI、PD、PID等典型等典型規(guī)律。規(guī)律。取決于過程擾動通道與控制取決于過程擾動通道與控制通道特性之比。通道特性之比。30（四）（四）靜態(tài)前饋與動態(tài)前饋靜態(tài)前饋與動態(tài)前饋 n1 1、靜態(tài)前饋、靜態(tài)前饋u工程上要實現(xiàn)完全補償是很難的，所以一般要求控工程上要實現(xiàn)完全補償是很難的，所以一般要求控制系統(tǒng)能在一定準確度下獲得近似補償：制系統(tǒng)能在一定準確度下獲得近似補償： u或者，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下被控量與擾動無關：或者，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下被控量與擾動無關： u靜態(tài)前饋控制器采用靜態(tài)前饋控制器采用比例控制比例控制，是前饋模型中最簡，是前饋模

18、型中最簡單的形式：單的形式： ffpdffKsGsGsG )()()(0)( ,)( tdty 0)( , 0)(lim tdtyt31（四）（四）靜態(tài)前饋與動態(tài)前饋靜態(tài)前饋與動態(tài)前饋 n2 2、動態(tài)前饋、動態(tài)前饋u當工藝上對控制精度要求很高，靜態(tài)方案難以滿足當工藝上對控制精度要求很高，靜態(tài)方案難以滿足時，可考慮使用動態(tài)前饋方案。時，可考慮使用動態(tài)前饋方案。 u為避免對擾動通道及控制通道數學模型的過分依賴，為避免對擾動通道及控制通道數學模型的過分依賴，且便于整定，根據被控過程的非周期、過阻尼特性，且便于整定，根據被控過程的非周期、過阻尼特性，動態(tài)前饋系統(tǒng)常采用如下典型的控制規(guī)律：動態(tài)前饋系統(tǒng)常

19、采用如下典型的控制規(guī)律：11)(21 ssKsGffff 32（五）（五）前饋前饋-反饋復合控制系統(tǒng)反饋復合控制系統(tǒng) n1 1、前饋控制的局限性、前饋控制的局限性u屬于開環(huán)控制方式。準確地說，應稱之為屬于開環(huán)控制方式。準確地說，應稱之為前饋補償前饋補償！u完全補償難以滿足，因為：完全補償難以滿足，因為：n要準確掌握擾動通道要準確掌握擾動通道 及控制通道特性及控制通道特性 是不容易的；是不容易的； n即使前饋模型即使前饋模型 能準確求出，有時工程上也能準確求出，有時工程上也難以實現(xiàn)；難以實現(xiàn)；n對每一個擾動至少使用一套測量變送儀表和一個對每一個擾動至少使用一套測量變送儀表和一個前饋控制器，這將會

20、使控制系統(tǒng)龐大而復雜；前饋控制器，這將會使控制系統(tǒng)龐大而復雜；n有一些擾動無法在線測量！有一些擾動無法在線測量！)(sGd)(sGp)(sGff33（五）（五）前饋前饋-反饋復合控制系統(tǒng)反饋復合控制系統(tǒng) n2 2、前饋、前饋-反饋復合控制系統(tǒng)反饋復合控制系統(tǒng)u將前饋和反饋結合，既利用前饋控制及時克服主要將前饋和反饋結合，既利用前饋控制及時克服主要擾動，又保持反饋控制克服多個擾動的長處；擾動，又保持反饋控制克服多個擾動的長處；u復合控制降低了系統(tǒng)對前饋補償器的要求，使其在復合控制降低了系統(tǒng)對前饋補償器的要求，使其在工程上更易于實現(xiàn)。工程上更易于實現(xiàn)。34（五）（五）前饋前饋-反饋復合控制系統(tǒng)反饋

21、復合控制系統(tǒng) n3 3、前饋反饋控制系統(tǒng)的設計原則、前饋反饋控制系統(tǒng)的設計原則u采用前饋控制主要是針對那些采用前饋控制主要是針對那些“可測不可控可測不可控”、變、變化頻繁且幅值較大的擾動量化頻繁且幅值較大的擾動量；u工程中，工程中，一般選用靜態(tài)前饋一般選用靜態(tài)前饋-反饋控制方案，即可反饋控制方案，即可得到較為滿意的控制效果得到較為滿意的控制效果。35（六）（六）前饋控制設計舉例前饋控制設計舉例 36（六）（六）前饋控制設計舉例前饋控制設計舉例 376.2.2 時滯控制時滯控制 n時間滯后是指純滯后過程。純滯后往往是由于時間滯后是指純滯后過程。純滯后往往是由于物料或能量需要經過一個傳輸過程而形成

22、的。物料或能量需要經過一個傳輸過程而形成的。n純滯后極大地影響系統(tǒng)動態(tài)性能，引起閉環(huán)控純滯后極大地影響系統(tǒng)動態(tài)性能，引起閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯降低，過渡過程時間加長。制系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯降低，過渡過程時間加長。 n若若 0.3，就被認為是具有較大純滯后的，就被認為是具有較大純滯后的工藝過程，工藝過程，時滯系統(tǒng)的控制是世界公認的控制時滯系統(tǒng)的控制是世界公認的控制難題難題。可考慮的方案：。可考慮的方案：u預估補償方案；預估補償方案；u采樣控制方案。采樣控制方案。T/ 38（一）（一）SmithSmith預估補償預估補償n1 1、基本原理、基本原理u一種以模型為基礎的預估補償控制方法；一種以模型為基礎的

23、預估補償控制方法；u預先估計出被控過程動態(tài)數學模型；預先估計出被控過程動態(tài)數學模型；u預估預估出過程對出過程對擾動擾動的動態(tài)響應，并將預估結果作為的動態(tài)響應，并將預估結果作為反饋提早供給控制器動作，以提前對擾動進行反饋提早供給控制器動作，以提前對擾動進行補償補償。39（一）（一）SmithSmith預估補償預估補償n2 2、SmithSmith預估補償結構預估補償結構 采用采用SmithSmith預估補償控制可以消除預估補償控制可以消除純滯后環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)品質的影響。純滯后環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)品質的影響。40（一）（一）SmithSmith預估補償預估補償n3 3、SmithSmith預估補償的不足

24、預估補償的不足uSmith預估器在應用中很不盡如人意預估器在應用中很不盡如人意，主要原因：，主要原因：n需要確知被控對象的精確數學模型。需要確知被控對象的精確數學模型。n即使是最簡單的一階模型，放大系數、時間常數即使是最簡單的一階模型，放大系數、時間常數或純滯后哪怕只有或純滯后哪怕只有10%10%的誤差，也易產生振蕩！的誤差，也易產生振蕩！n只能用于線性定常系統(tǒng)。只能用于線性定常系統(tǒng)。n對負載擾動無所助益。對負載擾動無所助益。41（一）（一）SmithSmith預估補償預估補償n4 4、SmithSmith預估補償的改進預估補償的改進42（二）（二）采樣控制方案采樣控制方案n1 1、基本原理、

25、基本原理u“調一下，等一等調一下，等一等”（Wait and See)Wait and See)的辦法的辦法: :n當控制器輸出后，一段時間內不再增加或減小，當控制器輸出后，一段時間內不再增加或減小，而是保持此值（保持的時間比純滯后時間而是保持此值（保持的時間比純滯后時間0 0稍稍長些），長些），直到控制作用的效果在被控量變化中反直到控制作用的效果在被控量變化中反映出來為止映出來為止；n接著，根據偏差的大小再決定下一步控制作用的接著，根據偏差的大小再決定下一步控制作用的大小和方向。大小和方向。43（二）（二）采樣控制方案采樣控制方案n2 2、采樣控制的特點、采樣控制的特點u核心思想就是核心思想

26、就是避免控制器不必要的誤操作，而寧愿避免控制器不必要的誤操作，而寧愿讓控制作用弱一些讓控制作用弱一些。u無需掌握精確的過程動態(tài)特性，就能克服被控過程無需掌握精確的過程動態(tài)特性，就能克服被控過程中純滯后的不利影響。中純滯后的不利影響。u需注意采樣周期的選取應略大于過程的純滯后時間。需注意采樣周期的選取應略大于過程的純滯后時間。44（三）幾點說明（三）幾點說明n工業(yè)實際過程控制中，一旦出現(xiàn)了大時滯過程，工業(yè)實際過程控制中，一旦出現(xiàn)了大時滯過程，要想取得滿意的動靜態(tài)控制效果是很難的。要想取得滿意的動靜態(tài)控制效果是很難的。 n在進行控制系統(tǒng)方案設計時，應盡一切可能避在進行控制系統(tǒng)方案設計時，應盡一切可

27、能避免大時滯控制系統(tǒng)的出現(xiàn)。免大時滯控制系統(tǒng)的出現(xiàn)。比如，在條件允許比如，在條件允許的情況下，不采用簡單的單回路控制系統(tǒng)，而的情況下，不采用簡單的單回路控制系統(tǒng)，而引入中間變量構成串級控制系統(tǒng)等。引入中間變量構成串級控制系統(tǒng)等。n微分作用對時滯控制無能為力；所謂微分作用對時滯控制無能為力；所謂“先進控先進控制制”尚未見實際效果。尚未見實際效果。456.3 解耦控制解耦控制n6.3.1 控制回路間的耦合控制回路間的耦合u（一）什么是耦合？（一）什么是耦合？u如果需要同時控制泵出口的壓力和流量，如果需要同時控制泵出口的壓力和流量，試分析兩試分析兩個控制系統(tǒng)的運行情況？個控制系統(tǒng)的運行情況？466.

28、3.1 控制回路間的耦合控制回路間的耦合PCA閥11( )GsPT壓力設定壓力設定泵出口壓力泵出口壓力FCB閥22( )GsFT流量設定流量設定泵出口流量泵出口流量對象對象12( )Gs21( )Gs47（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n1、相對增益定義、相對增益定義u相對增益相對增益ij是是調節(jié)量調節(jié)量j相對于相對于過程中其他調節(jié)量對過程中其他調節(jié)量對被控量被控量yi而言的增益（而言的增益（ j yi ）；）；uij定義為：定義為：ijijijqp p pij 第一放大系數第一放大系數 q qij 第二放大系數第二放大系數48（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n

29、（）第一放大系數（）第一放大系數pij u指耦合系統(tǒng)中，除指耦合系統(tǒng)中，除j到到y(tǒng)i通道外，其它通道通道外，其它通道全部斷開時所得到的全部斷開時所得到的j到到y(tǒng)i通道的靜態(tài)增益通道的靜態(tài)增益;u即，除調節(jié)量即，除調節(jié)量j改變了改變了 j以外，其它調節(jié)量以外，其它調節(jié)量k（kj）均不變。）均不變。upij可表示為：可表示為：jkkjiijyp , j yi的增益的增益（僅（僅j yi通道投運，通道投運，其他通道不投運）其他通道不投運）49（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n（）第二放大系數（）第二放大系數qij u指除所觀察的指除所觀察的j到到y(tǒng)i通道之外，其它通道均通道之外，其它

30、通道均閉合且保持閉合且保持yk（kj）不變時，）不變時，j到到y(tǒng)i通道之通道之間的靜態(tài)增益間的靜態(tài)增益。uqij可表示為：可表示為：kyjiijyq j yi的增益的增益（不僅不僅j yi通道投運，通道投運，其他通道也投運）其他通道也投運）50（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n2、相對增益含義、相對增益含義 u兩放大系數相同，其它回路存在與否對該通道沒有兩放大系數相同，其它回路存在與否對該通道沒有影響，即該通道與其他通道不存在耦合；影響，即該通道與其他通道不存在耦合；u放大系數不同，各通道間有耦合。放大系數不同，各通道間有耦合。51（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析

31、？n2、相對增益含義、相對增益含義uij = 1 無靜態(tài)耦合無靜態(tài)耦合uij = 0 耦合嚴重耦合嚴重 其他回路未投入時其他回路未投入時yi不受不受j影響（影響（pij=0） 投入后卻有影響（投入后卻有影響（ij0 ）了）了uij = 耦合嚴重耦合嚴重 uij 1 有耦合有耦合 其他回路投入后，其他回路投入后，j yi通道的增益下降通道的增益下降 需要解耦需要解耦uij 1 有耦合有耦合 需要解耦需要解耦uij 0 耦合嚴重耦合嚴重 其他回路的投入與否使系統(tǒng)由正反饋變成負反其他回路的投入與否使系統(tǒng)由正反饋變成負反 饋，系統(tǒng)由不穩(wěn)定性變?yōu)榉€(wěn)定，或相反。饋，系統(tǒng)由不穩(wěn)定性變?yōu)榉€(wěn)定，或相反。52（二

32、）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n3、相對增益的計算、相對增益的計算u（1）第一放大系數）第一放大系數pij的計算的計算第一放大系數第一放大系數pij是在其余通道開路情況下，該通道是在其余通道開路情況下，該通道的靜態(tài)增益。的靜態(tài)增益。 53（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？計算計算p11時時,其他回路要開環(huán)其他回路要開環(huán)或者或者(2)(3)(4)開環(huán)開環(huán)或者令或者令Kc2=0，使，使2 2=0=0所以所以p11=K11，p21=K21，p12=K12，p22=K2254（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n（2）第二放大系數）第二放大系數qij的計算的計算

33、u第二放大系數第二放大系數qij是在其它通道閉合且保持是在其它通道閉合且保持 yk（k i）恒定的條件下，該通道的靜態(tài)增益。恒定的條件下，該通道的靜態(tài)增益。55（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？計算計算q q1111時時, ,其他回路要閉環(huán)且其他回路要閉環(huán)且y y2 2固定不變固定不變令令K Kc2c2=，使，使y y2 2跟隨跟隨R R2 2而固定不變而固定不變56（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？222122122112111222222111111)(1KKKKKKKKKKKKKKycccc 221221221111112limKKKKKyqcK 57（二）耦

34、合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n同理，類似的可確定：同理，類似的可確定： 112112221122212112221112122112221121KKKKKqKKKKKqKKKKKq58（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n直接根據定義計算相對增益直接根據定義計算相對增益 ij： 211222112211222222221121122112212121221121122112121212211222112211111111KKKKKKqpKKKKKKqpKKKKKKqpKKKKKKqp 59（二）耦合程度如何分析？（二）耦合程度如何分析？n4、相對增益的特性、相對增益的特

35、性u相對增益矩陣中每行元素之和為相對增益矩陣中每行元素之和為1u相對增益矩陣中每列元素之和也為相對增益矩陣中每列元素之和也為1。此結論也同樣適用于多變量耦合系統(tǒng)。此結論也同樣適用于多變量耦合系統(tǒng)。此結論可用作驗算所求得的相對增益矩陣是否正確。此結論可用作驗算所求得的相對增益矩陣是否正確。60（三）如何進行解耦？（三）如何進行解耦？u解耦控制的目的：解耦控制的目的：解除耦合解除耦合 或或 減弱耦合減弱耦合u解耦方法：解耦方法：分四種。分四種。61（三）如何進行解耦？（三）如何進行解耦？n1、減少控制回路、減少控制回路u2個回路，撿一個重要的回路進行控制，另一個次個回路，撿一個重要的回路進行控制，

36、另一個次要回路不控制。要回路不控制。62（三）如何進行解耦？（三）如何進行解耦？n2、通過控制參數來減弱兩個回路的耦合度、通過控制參數來減弱兩個回路的耦合度u通過整定控制器參數，使兩個控制回路的工作頻率通過整定控制器參數，使兩個控制回路的工作頻率錯開。錯開。 如果把流量作為如果把流量作為主被控變量主被控變量，那么流量控制回路按正，那么流量控制回路按正常方法進行整定，保證有控制精度、靈敏度的響應要求；常方法進行整定，保證有控制精度、靈敏度的響應要求； 而把壓力作為從屬被控變量，壓力控制回路整定得而把壓力作為從屬被控變量，壓力控制回路整定得“松松”一些，即比例度大一些，積分時間長一些。一些，即比例

37、度大一些，積分時間長一些。63（三）如何進行解耦？（三）如何進行解耦？n3、正確匹配被控變量與控制變量、正確匹配被控變量與控制變量u對有些系統(tǒng)來說，減少與解除耦合的途徑可通過被對有些系統(tǒng)來說，減少與解除耦合的途徑可通過被控變量與控制變量間的正確匹配來解決，這是最簡控變量與控制變量間的正確匹配來解決，這是最簡單的有效手段。單的有效手段。643、正確匹配被控變量與控制變量、正確匹配被控變量與控制變量n例：對液體混合系統(tǒng)例：對液體混合系統(tǒng)求被控量與調節(jié)量之間的求被控量與調節(jié)量之間的正確配對關系正確配對關系混合液的成份混合液的成份y1總流量總流量y2液體液體液體液體212 y2111 y653、正確匹

38、配被控變量與控制變量、正確匹配被控變量與控制變量n根據定義，先計算根據定義，先計算1到到y(tǒng)1通道間的第一和第二通道間的第一和第二放大系數，得放大系數，得n因此，可求得相對增益因此，可求得相對增益:21111112yyyp 2111112yyqy 11111111yqp 663、正確匹配被控變量與控制變量、正確匹配被控變量與控制變量n由相對增益矩陣的特性，可得相對增益矩陣為由相對增益矩陣的特性，可得相對增益矩陣為n當當y1=0.3時，合理的配對是：時，合理的配對是：u用用1控制混合液成份控制混合液成份y1u用用2控制混合液總流量控制混合液總流量y2 22211211 112111211 1yyy

39、yyy 674、正兒八經的解耦控制、正兒八經的解耦控制壓力控制回路壓力控制回路PCA閥11( )GsPT壓力設定壓力設定泵出口壓力泵出口壓力流量控制回路流量控制回路FCB閥22( )GsFT流量設定流量設定對象對象12( )Gs21( )Gs泵出口流量泵出口流量12( )Ds21( )Ds解耦器解耦器11( )Ds22( )Ds686.3.2 解耦控制系統(tǒng)設計解耦控制系統(tǒng)設計n常用的解耦控制方法常用的解耦控制方法u適當選擇變量配對，將大系統(tǒng)分解為若干相對獨立適當選擇變量配對，將大系統(tǒng)分解為若干相對獨立的子系統(tǒng)。的子系統(tǒng)。u對角矩陣解耦法（含單位矩陣解耦法）。對角矩陣解耦法（含單位矩陣解耦法）。

40、u前饋補償解耦法前饋補償解耦法 ，是目前工業(yè)上應用最普遍的一種，是目前工業(yè)上應用最普遍的一種解耦方法解耦方法。696.3.2 解耦控制系統(tǒng)設計解耦控制系統(tǒng)設計n（一）對角矩陣解耦法（一）對角矩陣解耦法)()()(sUsGsYp )()()(sUsDsUc )()()()(sUsDsGsYcp 對角陣對角陣706.3.2 解耦控制系統(tǒng)設計解耦控制系統(tǒng)設計n（一）對角矩陣解耦法（一）對角矩陣解耦法2R1Y2cU1cU1R2Y)(1sGc)(2sGc)(11sGp)(22sGp716.3.2 解耦控制系統(tǒng)設計解耦控制系統(tǒng)設計n（二）單位矩陣解耦法（二）單位矩陣解耦法)()()(sUsGsYp )()

41、()(sUsDsUc )()()()(sUsDsGsYcp 單位陣單位陣726.3.2 解耦控制系統(tǒng)設計解耦控制系統(tǒng)設計n（二）單位矩陣解耦法（二）單位矩陣解耦法u不但消除了耦合，也改變了等效被控對象的特性，不但消除了耦合，也改變了等效被控對象的特性，由于此時對象特性為由于此時對象特性為1，理論上極大提高了系統(tǒng)的，理論上極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。u缺點：解耦網絡模型可能難以實現(xiàn)。缺點：解耦網絡模型可能難以實現(xiàn)。2R1Y2cU1cU1R2Y)(1sGc)(2sGc11736.3.2 解耦控制系統(tǒng)設計解耦控制系統(tǒng)設計n（三）前饋補償解耦法（三）前饋補償解耦法u將有耦合的控制參數當作擾動量，根

42、據不變性原理將有耦合的控制參數當作擾動量，根據不變性原理設計前饋補償解耦網絡。設計前饋補償解耦網絡。u解耦網絡較對角陣解耦簡潔，工業(yè)應用廣泛。解耦網絡較對角陣解耦簡潔，工業(yè)應用廣泛。74（三）前饋補償解耦法（三）前饋補償解耦法)(/ )()(222121sGsGsDpp )(/ )()(111212sGsGsDpp 756.4 比值控制比值控制n6.4.1 基本概念基本概念n（一）定義（一）定義u兩個或多個參數自動維持一定比值關系的過程控制兩個或多個參數自動維持一定比值關系的過程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。 u例如：例如：1、燃燒過程中，為保證燃燒經濟性，需保持燃料、燃燒過程中，為保證燃燒經濟性，需保持燃

43、料量和空氣量按一定比例混合后送入爐膛；量和空氣量按一定比例混合后送入爐膛；2、造紙過程中，為保證紙漿濃度，必須控制紙漿、造紙過程中，為保證紙漿濃度，必須控制紙漿量和水量按一定的比例混合。量和水量按一定的比例混合。766.4.1 基本概念基本概念n（二）（二）主動量和從動量主動量和從動量u比值控制系統(tǒng)中，起主導作用的物料流量一般稱為比值控制系統(tǒng)中，起主導作用的物料流量一般稱為主動量主動量Q1。如燃燒過程中的燃料量、造紙中的紙漿。如燃燒過程中的燃料量、造紙中的紙漿量；量；u隨主動量變化的物料流量稱為隨主動量變化的物料流量稱為從動量從動量Q2。如燃燒過。如燃燒過程中的空氣量、造紙中的水量。程中的空氣

44、量、造紙中的水量。uQ2與與Q1保持一定的比值保持一定的比值 ，即：，即：1212 kQQQQk 或或776.4.2 比值控制方案比值控制方案n根據工業(yè)生產過程的不同需求，常用的比值控根據工業(yè)生產過程的不同需求，常用的比值控制方案有：制方案有：u開環(huán)比值控制開環(huán)比值控制u單閉環(huán)比值控制單閉環(huán)比值控制u雙閉環(huán)比值控制雙閉環(huán)比值控制u變比值控制變比值控制n開環(huán)、單閉環(huán)或雙閉環(huán)比值控制中，比值系數開環(huán)、單閉環(huán)或雙閉環(huán)比值控制中，比值系數固定不變；而變比值控制中，比值系數可變。固定不變；而變比值控制中，比值系數可變。78（一）開環(huán)比值控制（一）開環(huán)比值控制u主、副流量均開環(huán)；主、副流量均開環(huán)；u由于系

45、統(tǒng)開環(huán)，對副流量由于系統(tǒng)開環(huán)，對副流量Q2的擾動沒有克服能力，的擾動沒有克服能力，只適用于副流量較平穩(wěn)且比值要求不高的場合。只適用于副流量較平穩(wěn)且比值要求不高的場合。Q2比值比值控制器控制器控制閥控制閥流量對象流量對象Q1測量變送器測量變送器79（二）（二）單閉環(huán)比值控制單閉環(huán)比值控制控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器副測量、變送副測量、變送比值比值控制器控制器主測量、變送主測量、變送Q1Q2對象對象u從動量從動量Q2是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)；是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)；u主動量主動量Q1開環(huán)，開環(huán)，Q2 的給定是的給定是k Q1 ，故從動量又是一，故從動量又是一個隨動控制系統(tǒng)。個隨動控制系統(tǒng)。u特點：結構簡單，可克

46、服作用于從動量回路中的擾特點：結構簡單，可克服作用于從動量回路中的擾動，應用于動，應用于主動量可測不可控主動量可測不可控場合。場合。80（三）雙閉環(huán)比值控制（三）雙閉環(huán)比值控制u特點：實現(xiàn)主動量定值控制，使總物料量穩(wěn)定。特點：實現(xiàn)主動量定值控制，使總物料量穩(wěn)定?？煽煽朔朔鲃恿亢蛷膭恿康臄_動，適用于要求負荷變化主動量和從動量的擾動，適用于要求負荷變化平穩(wěn)的場合，但控制稍復雜。平穩(wěn)的場合，但控制稍復雜。控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器副測量、變送副測量、變送比值比值控制器控制器Q2對象對象控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器主測量、變送主測量、變送Q1對象對象給定給定81（四）變比值控制（四）變比值控制u變比值控

47、制系統(tǒng)通過控制流量比值，來實現(xiàn)變比值控制系統(tǒng)通過控制流量比值，來實現(xiàn)第三參第三參數數的穩(wěn)定不變。本質上是一個以第三參數為主參數、的穩(wěn)定不變。本質上是一個以第三參數為主參數、以流量比為副參數的串級控制系統(tǒng)。第三參數往往以流量比為副參數的串級控制系統(tǒng)。第三參數往往是產品質量指標。是產品質量指標。u變比值控制中，比值只是手段，而不是最終目的。變比值控制中，比值只是手段，而不是最終目的。826.4.3 比值控制應用比值控制應用n一次磨礦工藝與控制要求：一次磨礦工藝與控制要求：u產量基本穩(wěn)定；產量基本穩(wěn)定；u磨機內部磨礦濃度穩(wěn)定。磨機內部磨礦濃度穩(wěn)定。836.4.3 比值控制應用比值控制應用n控制方案：

48、控制方案：u對一段磨機而言，濃度發(fā)生變化對一段磨機而言，濃度發(fā)生變化后，要求礦和水兩種物料流量的后，要求礦和水兩種物料流量的比值要隨之變化，決定采用變比比值要隨之變化，決定采用變比值控制方案。值控制方案。 u主動量為主動量為磨礦濃度；從動量為礦磨礦濃度；從動量為礦和水兩種物料流量的比值。和水兩種物料流量的比值。u在從動量調節(jié)過程中，由于礦量在從動量調節(jié)過程中，由于礦量是生產負荷，起主導地位，故以是生產負荷，起主導地位，故以調節(jié)水量為主來改變比值。調節(jié)水量為主來改變比值。846.4.3 比值控制應用比值控制應用n控制結構圖：控制結構圖：856.5 均勻及超馳控制均勻及超馳控制n6.5.1 均勻控

49、制均勻控制u連續(xù)生產過程中，前一設備的出料往往是后一設備連續(xù)生產過程中，前一設備的出料往往是后一設備的進料，工藝常常要求前一設備液位穩(wěn)定，后一設的進料，工藝常常要求前一設備液位穩(wěn)定，后一設備流入量穩(wěn)定。備流入量穩(wěn)定。866.5.1 均勻控制均勻控制n解決辦法：刪去流量控制，解決辦法：刪去流量控制，只設置液位控制系統(tǒng)。只設置液位控制系統(tǒng)。n目標：讓控制量流量小幅目標：讓控制量流量小幅變化，使被控量液位保持變化，使被控量液位保持在允許的范圍內即可。將在允許的范圍內即可。將液位、流量的控制統(tǒng)一在液位、流量的控制統(tǒng)一在一個控制系統(tǒng)中，即所謂一個控制系統(tǒng)中，即所謂“均勻控制均勻控制”（Loose Con

50、trol）。）。876.5.1 均勻控制均勻控制n在定值控制系統(tǒng)中，為了在定值控制系統(tǒng)中，為了保持被控量為定值，控制保持被控量為定值，控制量可作較大幅度變化，控量可作較大幅度變化，控制作用很制作用很“強強”。 n在均勻控制中，控制量和在均勻控制中，控制量和被控量同樣重要，控制目被控量同樣重要，控制目的要使它們在一定的范圍的要使它們在一定的范圍內都緩慢而內都緩慢而均勻均勻地變化。地變化。為實現(xiàn)均勻控制，其為實現(xiàn)均勻控制，其控制控制器參數比例度器參數比例度和積分時間和積分時間TI都比定值控制系統(tǒng)大得都比定值控制系統(tǒng)大得多，即控制作用很多，即控制作用很“弱弱”。886.5.1 均勻控制均勻控制n均勻

51、控制的特點均勻控制的特點u均勻控制與定值控制均勻控制與定值控制在控制結構上沒有任何區(qū)別，在控制結構上沒有任何區(qū)別，其區(qū)別在于控制目的不同。其區(qū)別在于控制目的不同。u均勻控制的目的是保證前后裝置或設備供求矛盾的均勻控制的目的是保證前后裝置或設備供求矛盾的兩個參數（一個是被控量，另一個是控制量），在兩個參數（一個是被控量，另一個是控制量），在工藝允許的范圍內，都緩慢均勻變化。工藝允許的范圍內，都緩慢均勻變化。896.5.2 超馳控制超馳控制n工藝控制中，有些參數工藝控制中，有些參數在正常工況下不會超限，在正常工況下不會超限，不考慮對它施加控制或采取非?？刂剖侄危欢豢紤]對它施加控制或采取非?？刂剖?/p>

52、段；而在非正常工況下，該參數會達到極限值，此時在非正常工況下，該參數會達到極限值，此時要求采取強有力的控制手段，避免超限，即所要求采取強有力的控制手段，避免超限，即所謂謂“超弛控制超弛控制”。n超弛控制（超弛控制（Override Control）屬于極限控屬于極限控制，制，一般基于生產安全角度，如要求溫度、壓一般基于生產安全角度，如要求溫度、壓力、物位不能越限等等。又稱選擇性控制、取力、物位不能越限等等。又稱選擇性控制、取代控制或軟保護控制。代控制或軟保護控制。906.5.2 超馳控制超馳控制n工藝控制中，有些參數工藝控制中，有些參數在正常工況下不會超限，在正常工況下不會超限，不考慮對它施加

53、控制或采取非?？刂剖侄?；而不考慮對它施加控制或采取非常控制手段；而在非正常工況下，該參數會達到極限值，此時在非正常工況下，該參數會達到極限值，此時要求采取強有力的控制手段，避免超限，即所要求采取強有力的控制手段，避免超限，即所謂謂“超弛控制超弛控制”。n超弛控制（超弛控制（Override Control）屬于極限控屬于極限控制，制，一般基于生產安全角度，如要求溫度、壓一般基于生產安全角度，如要求溫度、壓力、物位不能越限等等。又稱選擇性控制、取力、物位不能越限等等。又稱選擇性控制、取代控制或軟保護控制。代控制或軟保護控制。 916.5.2 超馳控制超馳控制n硬保護是指當參數達到高限或低限時，系

54、統(tǒng)開硬保護是指當參數達到高限或低限時，系統(tǒng)開始報警，這時需設法排除故障，若沒能及時排始報警，這時需設法排除故障，若沒能及時排除故障，則當參數達到高高限或低低限時，系除故障，則當參數達到高高限或低低限時，系統(tǒng)經聯(lián)鎖裝置動作，統(tǒng)經聯(lián)鎖裝置動作，自動停車自動停車。 n軟保護是指當參數達到高限或低限時，系統(tǒng)開軟保護是指當參數達到高限或低限時，系統(tǒng)開始改變控制方式，始改變控制方式，以參數脫離極限值作為當前以參數脫離極限值作為當前控制的第一指標控制的第一指標，此時的控制方式一般會使控，此時的控制方式一般會使控制質量有所降低，但可維持生產繼續(xù)進行，制質量有所降低，但可維持生產繼續(xù)進行，避避免停車免停車（因為

55、停車往往會造成較大的經濟損（因為停車往往會造成較大的經濟損失）。失）。926.5.2 超馳控制超馳控制n超馳控制的實現(xiàn)超馳控制的實現(xiàn)u在超弛控制系統(tǒng)中，設有兩個控制器：一個用于正在超弛控制系統(tǒng)中，設有兩個控制器：一個用于正常工況的控制，另一個用于非正常工況的控制。常工況的控制，另一個用于非正常工況的控制。u通過選擇判斷，自動選出能滿足正常生產或適應生通過選擇判斷，自動選出能滿足正常生產或適應生產安全狀況的控制。產安全狀況的控制。936.5.2 超馳控制超馳控制n氨冷器溫度氨冷器溫度液位超弛控制液位超弛控制u正常情況下，根據物料出口溫度控制液氨流入量。正常情況下，根據物料出口溫度控制液氨流入量。u但當氨冷器中液位過高時，會使氣氨中帶液，損壞但當氨冷器中液位過高時，會使氣氨中帶液，損壞后續(xù)設備。需用液位控制取代溫度控制，限制液氨后續(xù)設備。需用液位控制取代溫度控制，限制液氨流入量。流入量。946.5.2 超馳控制超馳控制n氨冷器溫度氨冷器溫度液位超弛控制液位超弛控制956.6 分程控制分程控制n（一）定義（一）定義u分程控制（分程控制（