《解耦控制系統(tǒng)》PPT課件.ppt

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1、第9章解耦控制系統(tǒng)目錄9.1解耦控制的基本概念9.2解耦控制系統(tǒng)的分析9.3解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)9.4解耦控制系統(tǒng)的實(shí)施本章小結(jié)前面所討論的控制系統(tǒng)中，假設(shè)過程只有一個(gè)被控變量（即輸出量），在影響這個(gè)被控變量的諸多因素中，僅選擇一個(gè)控制變量（即輸入量），而把其它因素都看成擾動，這樣的系統(tǒng)就是所謂的單輸入單輸出系統(tǒng)。但實(shí)際的工業(yè)過程是復(fù)雜的，往往有多個(gè)過程參數(shù)需要進(jìn)行控制，影響這些參數(shù)的控制變量也不只有一個(gè)，這樣的系統(tǒng)稱之為多輸入多輸出系統(tǒng)。當(dāng)多輸入多輸出系統(tǒng)中輸入和輸出之間相互影響較強(qiáng)時(shí)，不能簡單地化

2、為多個(gè)單輸入單輸出系統(tǒng)，此時(shí)必須考慮到變量間的耦合，以便對系統(tǒng)采取相應(yīng)的解耦措施后再實(shí)施有效的控制。9.1解耦控制的基本概念9.1.l控制回路間的耦合在一個(gè)生產(chǎn)過程中，被控變量和控制變量往往不止一對，只有設(shè)置若干個(gè)控制回路，才能對生產(chǎn)過程中的多個(gè)被控變量進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)。在這種情況下，多個(gè)控制回路之間就有可能產(chǎn)生某種程度的相互關(guān)聯(lián)、相互耦合和相互影響。而且這些控制回路之間的相互耦合還將直接妨礙各被控變量和控制變量之間的獨(dú)立控制作用，有時(shí)甚至?xí)茐母飨到y(tǒng)的正常工作，使之不能投入運(yùn)行。圖9-1所示是

3、化工生產(chǎn)中的精餾塔溫度控制方案。ul的改變不僅僅影響y1，同時(shí)還會影響y2；同樣地，u2的改變不僅僅影響y2，同時(shí)還會影響y1。因此，這兩個(gè)控制回路之間存在著相互關(guān)聯(lián)、相互耦合。這種相關(guān)與耦合關(guān)系如圖9-2所示。耦合是過程控制系統(tǒng)普遍存在的一種現(xiàn)象。耦合結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度主要取決于實(shí)際的被控對象以及對控制系統(tǒng)的品質(zhì)要求。因此如果對工藝生產(chǎn)不了解，那么設(shè)計(jì)的控制方案不可能是完善的和有效的。9.1.2被控對象的典型耦合結(jié)構(gòu)對于具有相同數(shù)目的輸入量和輸出量的被控對象，典型的耦合結(jié)構(gòu)可分為P規(guī)范耦合和V規(guī)范耦合

4、。圖9-3為P規(guī)范耦合對象。它有n個(gè)輸入和n個(gè)輸出，并且每一個(gè)輸出變量Yi(i=1,2,3,…,n）都受到所有輸入變量Ui(i=1,2,3,…,n）的影響。如果用pij(s)表示第j個(gè)輸入量Uj與第i個(gè)輸出量Yi之間的傳遞函數(shù)，則P規(guī)范耦合對象的數(shù)學(xué)描述式如下：9.2解耦控制系統(tǒng)的分析9.2.1耦合程度的分析確定各變量之間的耦合程度是多變量耦合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。常用的耦合程度分析方法有兩種：直接法和相對增益法。相對增益分析法將在后面詳細(xì)介紹，下面簡要介紹直接法。例9-1試用直接法分析圖9-5所

5、示雙變量耦合系統(tǒng)的耦合程度。解用直接法分析耦合程度時(shí)，一般采用靜態(tài)耦合結(jié)構(gòu)。所謂靜態(tài)耦合是指系統(tǒng)處在穩(wěn)態(tài)時(shí)的一種耦合結(jié)構(gòu)，與圖9-5動態(tài)耦合系統(tǒng)對應(yīng)的靜態(tài)耦合結(jié)構(gòu)如圖9-6所示。由圖9-6可得化簡后得由上兩式可知，Y1主要取決于R1，但也和R2有關(guān)。而Y2主要取決于R2，但也和R1有關(guān)。方程式中的系數(shù)則代表每一個(gè)被控變量與每一個(gè)控制變量之間的耦合程度。系數(shù)越大，則耦合程度越強(qiáng)；反之，系數(shù)越小，則耦合程度越弱。9.2.2相對增益分析法1．相對增益矩陣的定義相對增益可以：確定過程中每個(gè)被控變量相對每個(gè)控

6、制變量的響應(yīng)特性，并以此為依據(jù)去構(gòu)成控制系統(tǒng)。相對增益還可以指出過程關(guān)聯(lián)的程度和類型，以及對回路控制性能的影響。相對增益可以評價(jià)一個(gè)預(yù)先選定的控制變量Uj對一個(gè)特定的被控變量Yi的影響程度。而且這種影響程度是相對于過程中其他控制變量對該被控變量Yi而言的。對于一個(gè)多變量系統(tǒng)，假設(shè)Y是包含系統(tǒng)所有被控變量Yi的列向量；U是包含所有控制變量Uj的列向量。為了衡量系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性質(zhì)首先在所有其它回路均為開環(huán)，即所有其它控制變量都保持不變的情況下，得到開環(huán)增益矩陣P。這里記作Y=PU（9-5）對于一個(gè)耦合系統(tǒng)，

7、因?yàn)槊恳粋€(gè)控制變量不只影響一個(gè)被控變量，所以只計(jì)算在所有其他控制變量都固定不變的情況下的開環(huán)增益是不夠的。因此，特定的被控變量Yi對選定的控制變量的響應(yīng)還取決于其他控制變量處于何種狀況。其中，矩陣P的元素pij的靜態(tài)值稱為Uj到Y(jié)i通道的第一放大系數(shù)。它是指控制變量Uj改變了一個(gè)?Uj時(shí)，其它控制變量Uk(k?j)均不變的情況下，Uj與Yi之間通道的開環(huán)增益。顯然它就是除Uj到Y(jié)i通道以外，其它通道全部斷開時(shí)所得到的Uj到Y(jié)i通道的靜態(tài)增益，pij可表示為(9-6)然后，在所有其它回路均閉合，即保持

8、其它被控變量都不變的情況下，找出各通道的開環(huán)增益，記作矩陣Q。它的元素qij的靜態(tài)值稱為Uj與Yi通道的第二放大系數(shù)。它是指利用閉合回路固定其它被控變量時(shí)，Uj與Yi的開環(huán)增益。qij可以表為(9-7)pij與qij之比定義為相對增益或相對放大系數(shù)?ij，?ij可表示為(9-8)由相對增益?ij元素構(gòu)成的矩陣稱為相對增益矩陣?。即(9-9)如果在上述兩種情況下，開環(huán)增益沒有變化，即相對增益?ij=l，這就表明由Yi和Uj組成的控制回路與其它回路之間沒有關(guān)聯(lián)。這是因?yàn)闊o