過(guò)程控制系統(tǒng)多變量解耦控制系統(tǒng)!!

1、5/3/20221過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)多變量控制系統(tǒng)多變量控制系統(tǒng)5/3/20222第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)前前饋饋反反饋饋串串級(jí)級(jí)控控制制比比值值控控制制補(bǔ)補(bǔ)償償控控制制單單變變量量控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)5/3/20223實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程有多個(gè)被控量有多個(gè)被控量多輸入、多多輸入、多輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)一控制量變化一控制量變化多被控量變化多被控量變化多個(gè)控制回路多個(gè)控制回路互相影響、互相互相影響、互相關(guān)聯(lián)、互相耦合關(guān)聯(lián)、互相耦合設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，必須注意工藝過(guò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，必須注意工藝過(guò)程中各個(gè)參數(shù)間的相關(guān)情況程中各個(gè)參數(shù)間的相關(guān)情況5

2、/3/20224第二節(jié)第二節(jié) 關(guān)聯(lián)系統(tǒng)分析關(guān)聯(lián)系統(tǒng)分析 1 1關(guān)聯(lián)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)+-FB-AGC高速+FF-AGCP+-P+ATR-G高速+-P+VrefMF5FF-AGCFB-AGC+-+dv/dtFB-AGC+軋制效率補(bǔ)償-+ATR-G高速軋制效率補(bǔ)償+-ATR-G高速軋制效率補(bǔ)償+-P+-ATR-G高速軋制效率補(bǔ)償+-FF-AGC+MF1PATR-G高速軋制效率補(bǔ)償+-+-P+Vref+VrefVrefVrefh0*h1*Vref+-厚度控制與張力控制的耦合厚度控制與張力控制的耦合5/3/20225厚度張力耦合作用原理厚度張力耦合作用原理當(dāng)我們?cè)龃螽?dāng)我們?cè)龃?機(jī)架壓下量機(jī)架壓下量厚度：厚度

3、：出口帶鋼厚度變薄張力：張力：S1S2、S2S3之間張力減小當(dāng)我們?cè)龃螽?dāng)我們?cè)龃?機(jī)架速度機(jī)架速度張力：張力： S1S2增大，S2S3減小厚度：厚度：出口帶鋼厚度變薄張力控制張力控制厚度控制厚度控制耦合耦合5/3/20226厚度控制與板形控制的耦合厚度控制與板形控制的耦合 x x be be z B/2 B/2 Hf(x) hf(x) 5/3/20227雙變量耦合控制系統(tǒng)框圖5/3/202282 2 關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析)(11sG)(21sG)(12sG)(22sG)(1sU)(2sU)(1sY)(2sY控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)可以通過(guò)傳遞函數(shù)矩陣來(lái)分析控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)可以通過(guò)傳遞函

4、數(shù)矩陣來(lái)分析開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為)( )()( )()(22211211sGsGsGsGsGo5/3/20229閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為)( )()( )()(22211211sPsPsPsPs)(11sG)(21sG)(12sG)(22sG)(1sU)(2sU)(1sY)(2sY)(1sGC)(2sGC)(1sR)(2sR5/3/202210閉環(huán)控制傳遞函數(shù)閉環(huán)控制傳遞函數(shù))()(211222112111111sQGGGGGGGGsPCCC)()(21212sQGGsPC)()(12121sQGGsPC)()(21122211212

5、2222sQGGGGGGGGsPCCC21211222211111 )(CCCCGGGGGGGGsQ5/3/202211閉環(huán)穩(wěn)定性由閉環(huán)特征方程決定閉環(huán)穩(wěn)定性由閉環(huán)特征方程決定011 )(212112222111CCCCGGGGGGGGsQ閉環(huán)特征方程的根都具有負(fù)實(shí)部，關(guān)聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定。閉環(huán)特征方程的根都具有負(fù)實(shí)部，關(guān)聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定。5/3/202212在一個(gè)多變量過(guò)程控制系統(tǒng)中，被控制變量和操作變量之間往被控制變量和操作變量之間往往存在相互耦合的關(guān)系往存在相互耦合的關(guān)系，從而構(gòu)成了多輸入多輸出的耦合控制系統(tǒng)，它們的相互影響p妨礙各變量的獨(dú)自控制作用；p嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)茐母飨到y(tǒng)的正常工作，使之不能投入運(yùn)

6、行。但是，某一被控制變量總是在本質(zhì)上應(yīng)當(dāng)由某一操作變量所決定，這就叫做被控制變量與操作變量的變量配對(duì)。 5/3/202213v 通常認(rèn)為，在一個(gè)多變量被控過(guò)程中，如果每一個(gè)被控通常認(rèn)為，在一個(gè)多變量被控過(guò)程中，如果每一個(gè)被控變量只受一個(gè)控制變量的影響，則稱(chēng)為變量只受一個(gè)控制變量的影響，則稱(chēng)為無(wú)耦合過(guò)程無(wú)耦合過(guò)程，其分，其分析和設(shè)計(jì)方法與單變量過(guò)程控制系統(tǒng)完全一樣。析和設(shè)計(jì)方法與單變量過(guò)程控制系統(tǒng)完全一樣。v存在耦合的多變量過(guò)程控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)中需要解決存在耦合的多變量過(guò)程控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)中需要解決的主要問(wèn)題：的主要問(wèn)題： 1. 如何為多變量過(guò)程的變量配對(duì)？如何為多變量過(guò)程的變量配對(duì)？

7、1. 如何判斷多變量過(guò)程的耦合程度？如何判斷多變量過(guò)程的耦合程度？ 2. 如何最大限度地減少耦合程度？如何最大限度地減少耦合程度？ 3. 在什么情況下必須進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)，如何設(shè)計(jì)？在什么情況下必須進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)，如何設(shè)計(jì)？耦合過(guò)程及其要解決的問(wèn)題耦合過(guò)程及其要解決的問(wèn)題5/3/202214v在耦合非常嚴(yán)重的情況下，最有效的方法是采用在耦合非常嚴(yán)重的情況下，最有效的方法是采用多變量系統(tǒng)的解耦設(shè)計(jì)多變量系統(tǒng)的解耦設(shè)計(jì)。第四節(jié)第四節(jié) 解耦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)解耦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5/3/202215二輸入二輸出解耦系統(tǒng)二輸入二輸出解耦系統(tǒng)11N22N12N21N11pG22pG12pG21pG1Y2Y1cU2cU2U

8、1U2R)(2sGc1R)(1sGc)( sN)( sGp)( sGc解耦器解耦器N（S）)()()(sUsGsYp)()()(sUsNsUc)()()()(sUsNsGsYcp若是對(duì)角陣，則若是對(duì)角陣，則可實(shí)現(xiàn)完全解耦可實(shí)現(xiàn)完全解耦5/3/202216v解耦控制設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是解除控制回路或系統(tǒng)解耦控制設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是解除控制回路或系統(tǒng)變量之間的耦合。變量之間的耦合。v解耦設(shè)計(jì)可分為解耦設(shè)計(jì)可分為完全解耦和部分解耦。完全解耦和部分解耦。完全解耦完全解耦的要求是，在實(shí)現(xiàn)解耦之后，不僅調(diào)節(jié)量與的要求是，在實(shí)現(xiàn)解耦之后，不僅調(diào)節(jié)量與被控量之間以一對(duì)一對(duì)應(yīng)，而且干擾與被控量之間同被控量之間以一對(duì)一對(duì)

9、應(yīng)，而且干擾與被控量之間同樣產(chǎn)生一一對(duì)應(yīng)。樣產(chǎn)生一一對(duì)應(yīng)。5/3/202217 對(duì)角陣解耦法對(duì)角陣解耦法v對(duì)角陣解耦設(shè)計(jì)是一種常見(jiàn)的解耦方法。它要求對(duì)角陣解耦設(shè)計(jì)是一種常見(jiàn)的解耦方法。它要求被控對(duì)象特性矩陣與解耦環(huán)節(jié)矩陣的乘積等于對(duì)被控對(duì)象特性矩陣與解耦環(huán)節(jié)矩陣的乘積等于對(duì)角陣。角陣。5/3/202218 解耦設(shè)計(jì)原理解耦設(shè)計(jì)原理在關(guān)聯(lián)非常嚴(yán)重的情況下，即使采用最好的回路匹配（變量配對(duì)）也得不到滿意的控制效果，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦。解耦的本質(zhì)在于設(shè)置一個(gè)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，用它去抵解耦的本質(zhì)在于設(shè)置一個(gè)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，用它去抵消過(guò)程中的關(guān)聯(lián)，以保證各個(gè)單回路控制系統(tǒng)消過(guò)程中的關(guān)聯(lián)，以保證各個(gè)單回路控制系統(tǒng)能正常工

10、作。能正常工作。關(guān)聯(lián)系統(tǒng)解耦條件最終可歸結(jié)為：廣義對(duì)象的傳遞矩廣義對(duì)象的傳遞矩陣必須是對(duì)角陣。陣必須是對(duì)角陣。具體做法是：在相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)中增加一個(gè)解耦在相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)中增加一個(gè)解耦裝置中裝置中F(s)，使對(duì)象的傳遞矩陣與解耦裝置矩，使對(duì)象的傳遞矩陣與解耦裝置矩陣的乘積為對(duì)角陣，便可滿足各個(gè)控制回路相陣的乘積為對(duì)角陣，便可滿足各個(gè)控制回路相互獨(dú)立的要求?；オ?dú)立的要求。5/3/202219雙變量解耦系統(tǒng)方框圖雙變量解耦系統(tǒng)方框圖)(1sGc1R)(2sGc2R2cU1cU1Y2Y1U2U)(11sGp)(21sGp)(12sGp)(22sGp)(11sN)(21sN)(12sN)(22sN5/3/202220根據(jù)對(duì)角陣解耦設(shè)計(jì)要求，即根據(jù)對(duì)角陣解耦設(shè)計(jì)要求，即)(00)()()()()()()()()(22112221121122211211sGsGsNsNsNsNsGsGsGsGpppppp因此，被控對(duì)象的輸出與輸入變量之間應(yīng)因此，被控對(duì)象的輸出與輸入變量之間應(yīng)滿足如下矩陣方程：滿足如下矩陣方程：)()()(00)()()(21221121sUsUsGsGsYsYccpp5/3/202221對(duì)角陣解耦后的等效系統(tǒng)對(duì)角陣解耦后的等效系統(tǒng)2R1Y2cU1cU1R2Y)(1sGc)(2sGc)(11sGp)(22sGp5/3/202222 單