浙大工業(yè)過(guò)程控制10解耦控制

1、2020/8/12,課件,1,MIMO過(guò)程的解耦控制,戴連奎 浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與決策研究所,2020/8/12,課件,2,內(nèi) 容,引 言 相對(duì)增益 MIMO系統(tǒng)的變量匹配 解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 解耦控制系統(tǒng)的實(shí)施 結(jié) 論,2020/8/12,課件,3,多變量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,單變量控制系統(tǒng)（多回路控制） 方法簡(jiǎn)單，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)不強(qiáng)時(shí)，如果配對(duì)正確，而且參數(shù)整定合適，應(yīng)用效果良好，較強(qiáng)的魯棒性。 解耦控制 方法較復(fù)雜，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)較強(qiáng)時(shí)，如果對(duì)象模型基本正確，可應(yīng)用于實(shí)際過(guò)程，但魯棒性較弱。 多變量控制 方法眾多，相對(duì)復(fù)雜，可適用于各種實(shí)際過(guò)程，但魯棒性較弱，通常要求建立對(duì)象模型。,2020/8/12

2、,課件,4,多變量系統(tǒng)中的耦合,基本問(wèn)題：若采用SISO控制器，如何進(jìn)行 輸入輸出變量之間的配對(duì)？,2020/8/12,課件,5,多回路PID 控制,2020/8/12,課件,6,相對(duì)增益的概念,第一放大系數(shù) pij：在其它控制量 ur (rj)均不變的前提下， uj 對(duì)yi 的開(kāi)環(huán)增益,第二放大系數(shù) pij：在利用控制回路使其它被控量 yr (ri) 均不變的前提下， uj 對(duì)yi 的開(kāi)環(huán)增益,2020/8/12,課件,7,相對(duì)增益的概念（續(xù)）,uj至yi通道的相對(duì)增益：,相對(duì)增益矩陣：,2020/8/12,課件,8,相對(duì)增益系數(shù)的計(jì)算方法1,輸入輸出穩(wěn)態(tài)方程,2020/8/12,課件,9,

3、相對(duì)增益系數(shù)的計(jì)算方法2,注：上述計(jì)算公式中的 “” 為兩矩陣對(duì)應(yīng)元素的相乘！,2020/8/12,課件,10,相對(duì)增益系數(shù)的計(jì)算方法2 (續(xù)),例如：穩(wěn)態(tài)增益：,練習(xí)：計(jì)算11 ， 33 ，12 ，31 ?,其中det P 是矩陣P 的行列式；Pij是矩陣P 的代數(shù)余子式。,2020/8/12,課件,11,相對(duì)增益矩陣的歸一性,相對(duì)增益矩陣中每行或每列的總和均為1；,若相對(duì)增益矩陣中，某些元素1，則對(duì)應(yīng)行與列中必然有某些元素0;ij反映了通道uj與yi之間的穩(wěn)態(tài)增益受其它回路的影響程度.,2020/8/12,課件,12,相對(duì)增益與耦合程度,當(dāng)通道的相對(duì)增益接近于1，例如0.8 ij 1.2，

4、則表明其它通道對(duì)該通道的關(guān)聯(lián)作用很小; 當(dāng)相對(duì)增益小于零或接近于零時(shí)，說(shuō)明使用本通道調(diào)節(jié)器不能得到良好的控制效果。或者說(shuō)，這個(gè)通道的變量選配不適當(dāng)，應(yīng)重新選擇。 當(dāng)相對(duì)增益在0.3到0.7之間或者大于1.5時(shí)，則表明系統(tǒng)中存在著非常嚴(yán)重的耦合。需要考慮進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)或采用多變量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。,2020/8/12,課件,13,變量配對(duì)舉例(調(diào)和過(guò)程),為非線性 系統(tǒng)！,2020/8/12,課件,14,變量配對(duì)舉例（續(xù)）,1. 設(shè)定穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)：Q0（u10, u20, y10, y20）,2. 穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn) Q0 附近偏差化,2020/8/12,課件,15,變量配對(duì)舉例（續(xù)）,3. 工作點(diǎn) Q0

5、附近線性化,2020/8/12,課件,16,變量配對(duì)舉例（續(xù)）,4. 對(duì)于穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn) Q0 計(jì)算某一相對(duì)增益：,2020/8/12,課件,17,變量配對(duì)舉例（續(xù)）,5. 利用相對(duì)增益的性質(zhì)計(jì)算相對(duì)增益矩陣：,2020/8/12,課件,18,變量配對(duì)舉例（續(xù)）,6. 進(jìn)行合適的變量配對(duì) ( 假設(shè)C1 y20 C2 )：,2020/8/12,課件,19,變量配對(duì)舉例（續(xù)）,7. 分析結(jié)論( 假設(shè)C1 y20 C2 )：,（1）變量配對(duì)：用量大的操作變量控總流量；用量小的操作變量控濃度。 （2）若用量大的操作變量占總流量75%以上，則只要用常規(guī)多回路就可以；否則，若兩種進(jìn)料量接近，則需要采用非常規(guī)方

6、法，例如解耦設(shè)計(jì)。,2020/8/12,課件,20,調(diào)和過(guò)程工況舉例1,F1= 80 T/hr，F(xiàn)2 = 20 T/hr， F = 100 T/hr； C1= 75 %， C2 = 25 %， C = 64 %。 相對(duì)增益矩陣為：,輸入輸出的正確配對(duì)：,2020/8/12,課件,21,多回路控制方案#1（F-F1, C-F2）,2020/8/12,課件,22,調(diào)和過(guò)程多回路控制模型#1,2020/8/12,課件,23,多回路控制方案#1的閉環(huán)響應(yīng),2020/8/12,課件,24,多回路控制方案#2（C-F1, F-F2）,2020/8/12,課件,25,調(diào)和過(guò)程多回路控制模型#2,2020/8

7、/12,課件,26,多回路控制方案#2的閉環(huán)響應(yīng),2020/8/12,課件,27,耦合過(guò)程的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),經(jīng)合適輸入輸出變量配對(duì)后，若關(guān)聯(lián)不大，則可采用常規(guī)的多回路PID控制器； 盡管系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關(guān)聯(lián)嚴(yán)重，但主要控制通道動(dòng)態(tài)特性差別較大，仍可通過(guò)調(diào)整PID參數(shù)，使各回路的工作頻率拉開(kāi)； 若系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關(guān)聯(lián)嚴(yán)重，而且動(dòng)態(tài)特性相近，則需要進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)。,2020/8/12,課件,28,解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償法,解耦原理：使y1與uc2無(wú)關(guān)聯(lián)；使y2與uc1無(wú)關(guān)聯(lián),2020/8/12,課件,29,解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償法（續(xù)）,2020/8/12,課件,30,解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)角矩陣法,2020/

8、8/12,課件,31,解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)角矩陣法（續(xù)）,2020/8/12,課件,32,解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單位矩陣法,2020/8/12,課件,33,解耦控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)（穩(wěn)態(tài)解耦法）,2020/8/12,課件,34,解耦控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)1：初始化問(wèn)題,問(wèn)題：若u1, u2為“手動(dòng)”時(shí)，如何設(shè)定基本控制器Gc1輸出的初始值，以便無(wú)擾動(dòng)地投入“自動(dòng)”？,2020/8/12,課件,35,解耦控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2：約束問(wèn)題,問(wèn)題：當(dāng)兩回路均為“自動(dòng)”時(shí)，若u2 在運(yùn)行過(guò)程中受到了約束，兩控制器有可能都驅(qū)使u1趨向約束。,2020/8/12,課件,36,改進(jìn)的解耦控制方案,2020/8/12,課件,37

9、,調(diào)和過(guò)程的解耦控制舉例,2020/8/12,課件,38,調(diào)和過(guò)程解耦控制系統(tǒng)仿真,被控過(guò)程：,穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)：Q0（ u10, u20, y10, y20）,2020/8/12,課件,39,調(diào)和過(guò)程解耦控制仿真（續(xù)）,模型：,相對(duì)增益矩陣：,問(wèn)題：如何進(jìn)行變量配對(duì)與解耦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)？,2020/8/12,課件,40,調(diào)和過(guò)程多回路控制仿真模型#3,2020/8/12,課件,41,調(diào)和過(guò)程多回路控制響應(yīng),2020/8/12,課件,42,調(diào)和過(guò)程動(dòng)態(tài)線性解耦方案,2020/8/12,課件,43,動(dòng)態(tài)線性解耦閉環(huán)響應(yīng),2020/8/12,課件,44,調(diào)和過(guò)程線性靜態(tài)解耦方案,2020/8/12,課件,

10、45,線性靜態(tài)解耦系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng),2020/8/12,課件,46,調(diào)和過(guò)程的部分靜態(tài)解耦方案,2020/8/12,課件,47,部分靜態(tài)解耦系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng),2020/8/12,課件,48,非線性靜態(tài)解耦的一般結(jié)構(gòu),+,2020/8/12,課件,49,調(diào)和過(guò)程的非線性靜態(tài)解耦,+,+,2020/8/12,課件,50,調(diào)和過(guò)程非線性靜態(tài)解耦（續(xù)）,2020/8/12,課件,51,調(diào)和過(guò)程的非線性完全解耦,2020/8/12,課件,52,非線性完全解耦控制仿真模型,2020/8/12,課件,53,非線性靜態(tài)解耦系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng),2020/8/12,課件,54,MIMO耦合系統(tǒng)解耦控制小結(jié),應(yīng)通過(guò)關(guān)聯(lián)分析并選擇合適的輸入輸出配對(duì): 1. 若關(guān)聯(lián)不大或主要控制通道動(dòng)態(tài)特性差別較大，則可采用常規(guī)的多回路PID控制器； 2. 若系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關(guān)聯(lián)嚴(yán)重，而且動(dòng)態(tài)特性相近，則需要進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)。 常用的解耦方法： 前饋解耦、靜態(tài)解耦、部分解耦、線性或非線性解耦等。,2020/8/12,課件,55,練習(xí)題,巳知過(guò)程的開(kāi)環(huán)穩(wěn)態(tài)增益矩陣,試推導(dǎo)其相對(duì)增益矩陣，并選擇最好的控制回路。分析此過(guò)程是否需要解耦。,2020/8/12,課件,56,流體輸送設(shè)備控制自學(xué)思考題,對(duì)于離心式流體輸送設(shè)備（泵、壓縮機(jī)），如何實(shí)現(xiàn)流量控制？ 對(duì)于容積式泵設(shè)備，如何實(shí)現(xiàn)流量控制？ 對(duì)于離心式壓縮機(jī)，說(shuō)明喘振現(xiàn)象與產(chǎn)