过程控制第八章 多变量解耦控制系统.ppt

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1、1.多输入多输出过程中，一个输入将影响到多个输出，而一个输出也将受到多个输入的影响，各通道之间存在着相互作用。这种输入与输出间、通道与通道间复杂的因果关系称为过程变量或通道间的耦合。2.单回路控制系统是最简单的控制方案，因此，解决多变量耦合过程控制的最好办法是解除变量之间的不希望的耦合，形成各个独立的单输入单输出的控制通道，以便分别设计相应的单回路控制系统。3.一个选定的控制量与其配对的被控量之间相互影响的程度可以用相对增益（相对放大系数）来衡量。求相对增益的方法有实验法、解析法、间接法。4.根据不同情况，解耦可以通过以下方法实现。①突出主要被控参数，忽略次要被控参数，将过程简化为单参数过

2、程；②寻求输入输出间的最佳匹配，选择影响程度（因果关系）最强的输入输出，逐对构成各个控制通道，弱化各控制通道之间即变量之间的耦合；③设计一个补偿器，与原过程构成广义过程，使其成为对角阵。本章内容要点5.对有耦合的复杂过程，要设计一个高性能的调节器是困难的，通常先设计一个补偿器，使增广过程的通道之间不再存在耦合，这种设计称为解耦设计。解耦设计的方法有串联补偿设计、前馈补偿设计。6.工程上通常根据不同情况采取静态解耦、动态解耦、部分解耦等方法。静态解耦只要求过程变量达到稳态时实现变量间的解耦。动态解耦则要求不论在过渡过程或稳态时，都能实现变量间的解耦。部分解耦只对某些影响较大的耦合采取解耦措施

3、，而忽略一些次要的耦合。本章内容要点众所周知，实际的工业过程是一个复杂的变化过程，为了达到指定的生产要求，往往有多个过程参数需要控制，相应地，决定和影响这些参数的原因也不是一个。因此，大多数工业过程是一个相互关联的多输入多输出过程。在这样的过程中，一个输入将影响到多个输出，而一个输出也将受到多个输入的影响。如果将一对输入输出称为一个控制通道，则在各通道之间存在相互作用，将这种输入与输出间、通道与通道间复杂的因果关系称为过程变量或通道间的耦合。在单回路控制系统中，假设过程只有一个被控参数，它被确定为输出，而在众多影响这个被控参数的因素中，选择一个主要因素作为调节参数或控制参数，称为过程输入，

4、而将其它因素都看成扰动。这样在输入输出之间形成一条控制通道，再加入适当的调节器后，就成为一个单回路控制系统。8.1多变量解耦控制系统概述多输入多输出过程的传递函数可表示为：（8-1）式中：—输出变量数；—输入变量数；—第个输入与第个输出间的传递函数，它也反映着该输入与输出间的耦合关系。在解耦问题的讨论中，通常取，这与大多数实际过程相符合。8.1多变量解耦控制系统概述(8-2)实现复杂过程的解耦有三个层次的办法：1）突出主要被控参数，忽略次要被控参数，将过程简化为单参数过程；2）寻求输入输出间的最佳匹配，选择因果关系最强的输入输出，逐对构成各个控制通道，弱化各控制通道之间即变量之间的耦合。变

5、量间的耦合给过程控制带来了很大的困难。因为，很难为各个控制通道确定满足性能要求的调节器。从前面的讨论可知，单回路控制系统是最简单的控制方案，因此，解决多变量耦合过程控制的最好办法是解除变量之间的不希望的耦合，形成各个独立的单输入单输出的控制通道，使得此时过程的传递函数分别为8.1多变量解耦控制系统概述3）设计一个补偿器，与原过程构成一个广义过程，使成为对角阵第一种方法最简单易行，但只适用于简单过程或控制要求不高的场合；(8-3)第二种方法考虑到变量之间的耦合，但这种配对只有在存在弱耦合的情况下，才能找到合理的输入输出间的组合；第三种方法原则上适用于一般情况，但要找到适当的补偿器并能实现，则

6、要复杂得多，因此，要视不同要求和场合选用不同方法。第一种方法已在单回路控制系统中讨论了，故这里着重讨论后面两种方法。8.1多变量解耦控制系统概述解耦有两种方式：静态解耦和动态解耦。静态解耦只要求过程变量达到稳态时实现变量间的解耦，讨论中可将传递函数简化为比例系数。动态解耦则要求不论在过渡过程还是在稳态时，都能实现变量间的解耦。为简便起见，讨论将从静态解耦开始，所用的方法同样可用于动态解耦，并得出相应的结论。8.1多变量解耦控制系统概述相对增益是用来衡量一个选定的控制量与其配对的被控量之间相互影响大小的尺度。因为它是相对系统中其它控制量对该被控量的影响来说的，故称其为相对增益，也称之为相对放

7、大系数。8.2.1相对增益的定义多输入多输出过程中变量之间的耦合程度可用相对增益表示。设过程输入,，令(8-4)为了衡量某一变量配对下的关联性质，首先在其它所有回路均为开环情况下，即所有其它控制量均不改变的情况下，找出该通道的开环增益，然后再在所有其它回路都闭环的情况下，即所有其它被控量都基本保持不变的情况下，找出该通道的开环增益。显然，如果在上述两种情况下，该通道的开环增益没有变化，就表明其它回路的存在对该通道没有影响