過程控制 第二篇復(fù)雜控制

1、過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 第五章第五章 串級(jí)控制系統(tǒng)與比值控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)與比值控制系統(tǒng) 5-1 串級(jí)控制系統(tǒng)概念串級(jí)控制系統(tǒng)概念 5-2 串級(jí)控制系統(tǒng)分析串級(jí)控制系統(tǒng)分析 5-3 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中的幾個(gè)問題串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中的幾個(gè)問題 5-4 調(diào)節(jié)器的選型調(diào)節(jié)器的選型 5-5 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 較大遲延對(duì)象：過熱汽溫較大遲延對(duì)象：過熱汽溫 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng) T C r D W W KvGc(s)Gp(s)Km T r 5-1 串級(jí)控制系統(tǒng)概念串級(jí)控制系統(tǒng)概念 過程控制過

2、程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) PID過熱器過熱器 rTPID2PID1減溫器減溫器過熱器過熱器 r T2T1減溫水?dāng)_動(dòng)減溫水?dāng)_動(dòng) 減溫水?dāng)_動(dòng)減溫水?dāng)_動(dòng) 單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng) 超調(diào)量大超調(diào)量大 振蕩頻率低振蕩頻率低 調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng) 超調(diào)量小超調(diào)量小 振蕩頻率提高振蕩頻率提高 調(diào)節(jié)時(shí)間縮短調(diào)節(jié)時(shí)間縮短 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 進(jìn)料進(jìn)料 產(chǎn)品產(chǎn)品 冷卻液冷卻液 T1 CC1 1 T2 CC2 2 r 進(jìn)料進(jìn)料 產(chǎn)品產(chǎn)品 冷卻液冷卻液 CC TT r P

3、ID2PID1罐體罐體罐內(nèi)罐內(nèi) r 單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng) 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng) PID反應(yīng)罐反應(yīng)罐 rT 冷卻液擾動(dòng)冷卻液擾動(dòng) T2T1 冷卻液擾動(dòng)冷卻液擾動(dòng) 副回路副回路 主回路主回路 超調(diào)量大超調(diào)量大 振蕩頻率低振蕩頻率低 調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng) 超調(diào)量小超調(diào)量小 振蕩頻率提高振蕩頻率提高 調(diào)節(jié)時(shí)間縮短調(diào)節(jié)時(shí)間縮短 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 副調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器副對(duì)象副對(duì)象主對(duì)象主對(duì)象 r y2y1 二次擾動(dòng)二次擾動(dòng)一次擾動(dòng)一次擾動(dòng) 副回路副回路 主回路主回路 一般串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)

4、構(gòu)一般串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 常稱副對(duì)象為導(dǎo)前區(qū)，主對(duì)象為惰性區(qū)；常稱副對(duì)象為導(dǎo)前區(qū)，主對(duì)象為惰性區(qū)； 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： 有效地克服二次擾動(dòng)；有效地克服二次擾動(dòng)； 改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性；改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性； 具有一定的自適應(yīng)能力；具有一定的自適應(yīng)能力； 各調(diào)節(jié)器的作用：各調(diào)節(jié)器的作用： 副調(diào)：粗調(diào)副調(diào)：粗調(diào),克服二次擾動(dòng)；克服二次擾動(dòng)； 主調(diào)：細(xì)調(diào)主調(diào)：細(xì)調(diào),進(jìn)行系統(tǒng)校正。進(jìn)行系統(tǒng)校正。 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 5-2 串級(jí)控制系統(tǒng)分析串級(jí)控制系統(tǒng)分析 1. 有效克服二次擾動(dòng)有效克服二次擾動(dòng) Gc(s)G p(s) RY1 二次擾動(dòng)二次擾動(dòng)

5、 Gd(s) 二次擾動(dòng)二次擾動(dòng) Y2Y1 Gc2(s)Gc1(s)Gp2(s)Gp1(s) R Gd (s) d2p 1 2cp G(s)G (s) Y (s) = D (s)1 + G (s)G (s) 單 d2p c2p2 1 c2p2 2 c1p1 c2p2 G(s)G (s) 1+ G(s)G(s) Y (s) = G(s)G(s) D (s) 1+ G(s)G(s) 1+ G(s)G(s) 串 由梅蓀公式：由梅蓀公式： 由梅蓀公式：由梅蓀公式： 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) d2p 1 2cp G(s)G (s) Y (s) = D (s)1 + G (s

6、)G (s) 單 d2p c2p2 1 c2p2 2 c1p1 c2p2 G(s)G (s) 1 + G(s)G(s) Y (s) = G(s)G(s) D (s) 1 + G(s)G(s) 1 + G(s)G(s) 串 d2p 1 2c2p2c1p1c2p2 d2p c2p2c1c2p G(s)G (s) Y (s) = D (s)1+ G(s)G(s) + G(s)G(s)G(s)G(s) G(s)G (s) = 1+ G(s)G(s) + G(s)G(s)G (s) 串 串級(jí)系統(tǒng)對(duì)二次擾動(dòng)的響應(yīng)是較串級(jí)系統(tǒng)對(duì)二次擾動(dòng)的響應(yīng)是較 小的，在主環(huán)工作頻率下更為突小的，在主環(huán)工作頻率下更為突 出

7、。與單回路比較二次擾動(dòng)的影出。與單回路比較二次擾動(dòng)的影 響可以減小響可以減小10100倍。倍。 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 2. 改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 Gc2(s)Gc1(s)Gp2(s)Gp1(s) R Y2Y1 二次擾動(dòng)二次擾動(dòng)一次擾動(dòng)一次擾動(dòng) 副回路副回路 主回路主回路 Gc1(s)Gp2(s)Gp1(s) R Y2Y1 主回路主回路 Gc (s)Gp2(s)Gp1(s) R Y2Y1 單回路單回路 比較單回路比較單回路 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) c2p2 p2 c2p2 G(s)G(s) G(s) = 1

8、 + G(s)G(s) 一般取一般取 c2C2 G (s)K，又設(shè)，又設(shè) p2 p2 p2 K G (s) T s+1 p2 p2 p2 p2 KK K K T1K K1K K KT 1TK K K1 T11K K p2c2p2 c2 c2p2c2p2 p2 p2 c2p2 c2 c2p2 s G(s) = s s 1+ s p2 K T p2 p2 G (s) = 1+s c 1,1 2p2p2p2p2 TT當(dāng) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) Tp2 Tp2 副調(diào)的增益可副調(diào)的增益可kc2Tp2，加快了，加快了 副回路的響應(yīng)速度。當(dāng)副回路的響應(yīng)速度。當(dāng)Tp2很小時(shí)：

9、很小時(shí)： Gp2 (s)1 對(duì)象等效傳遞函數(shù)為：對(duì)象等效傳遞函數(shù)為： Gp (s)= Gp1 (s) 因此系統(tǒng)的工作頻率也提高了。因此系統(tǒng)的工作頻率也提高了。 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 3. 對(duì)負(fù)荷變化有一定的自適應(yīng)能力對(duì)負(fù)荷變化有一定的自適應(yīng)能力 c c 1 1 2p2 p2 2p2 在調(diào)節(jié)閥和導(dǎo)前區(qū)對(duì)象出現(xiàn)的由于負(fù)荷變化引起非線性，在調(diào)節(jié)閥和導(dǎo)前區(qū)對(duì)象出現(xiàn)的由于負(fù)荷變化引起非線性， 對(duì)控制品質(zhì)的影響可大大減小。對(duì)控制品質(zhì)的影響可大大減小。 2）副回路是一個(gè)快速流量隨動(dòng)系統(tǒng)，能快速跟蹤主調(diào)節(jié)器的輸）副回路是一個(gè)快速流量隨動(dòng)系統(tǒng)，能快速跟蹤主調(diào)節(jié)器的輸 出，精確

10、地控制調(diào)節(jié)量（流量），從而保證控制品質(zhì)。出，精確地控制調(diào)節(jié)量（流量），從而保證控制品質(zhì)。 1）因?yàn)橐驗(yàn)?Y2Y1 Gc2(s)Gc1(s)Gp2(s)Gp1(s) R Gd (s) c 1, 2p2 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 5-3 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中的幾個(gè)問題串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中的幾個(gè)問題 1. 副回路的設(shè)計(jì)副回路的設(shè)計(jì) 1）副調(diào)參數(shù)選擇應(yīng)使副回路的時(shí)）副調(diào)參數(shù)選擇應(yīng)使副回路的時(shí) 間常數(shù)?。婚g常數(shù)??； 這樣通道短，反應(yīng)靈敏。這樣通道短，反應(yīng)靈敏。 2）副回路應(yīng)包含主要的擾動(dòng)；）副回路應(yīng)包含主要的擾動(dòng)； 一般應(yīng)把調(diào)節(jié)量擾動(dòng)包含在內(nèi)。一般應(yīng)把調(diào)節(jié)量擾動(dòng)包

11、含在內(nèi)。 PID2PID1 減溫減溫 器器 過熱器過熱器 r T2T1 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 2. 主、副回路工作頻率的選擇主、副回路工作頻率的選擇 Y2 Y1 Gc2(s)Gc1(s) R 2 1 (5.3)s+1 -1s 2 1 e (10.3s+1) 副回路的工作頻率應(yīng)選擇主回路工作頻率的副回路的工作頻率應(yīng)選擇主回路工作頻率的310倍倍 r M () r 1 3 2 1 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 3. 防止調(diào)節(jié)器積分飽和防止調(diào)節(jié)器積分飽和 產(chǎn)生積分飽和的原因：產(chǎn)生積分飽和的原因： 外因是偏差長(zhǎng)期存在外因是偏差長(zhǎng)期存在 內(nèi)

12、因是控制器有積分作用內(nèi)因是控制器有積分作用 進(jìn)料進(jìn)料 產(chǎn)品產(chǎn)品 冷卻液冷卻液 T1 CC1 1 T2 CC2 2 r PID2PID1罐體罐體罐內(nèi)罐內(nèi) r T2T1 冷卻液擾動(dòng)冷卻液擾動(dòng) 副回路副回路 主回路主回路 串級(jí)控制系統(tǒng)當(dāng)主、副調(diào)節(jié)器都采用串級(jí)控制系統(tǒng)當(dāng)主、副調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)時(shí)，很容易產(chǎn)生調(diào)節(jié)時(shí)，很容易產(chǎn)生 積分飽和現(xiàn)象。積分飽和現(xiàn)象。 主調(diào)節(jié)器產(chǎn)生積分飽和，將使控制不及時(shí)，系統(tǒng)輸出超調(diào)量增主調(diào)節(jié)器產(chǎn)生積分飽和，將使控制不及時(shí)，系統(tǒng)輸出超調(diào)量增 加。加。 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 2C112 I 1 R (s) = KE (s) +Y (s) T s

13、 + 1 系統(tǒng)正常時(shí)，系統(tǒng)正常時(shí)，R2(s)=Y2(s)。則主調(diào)節(jié)器輸出為：。則主調(diào)節(jié)器輸出為： (1) 2C 11 I 1 R(s) = KE (s) T s 將主調(diào)節(jié)器調(diào)整為積分將主調(diào)節(jié)器調(diào)整為積分 外反饋。即外反饋。即 常規(guī)常規(guī)PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 當(dāng)當(dāng)R2(s)Y2(s)時(shí)，則主調(diào)節(jié)器輸出為：時(shí)，則主調(diào)節(jié)器輸出為： 2C112 r (t) = Ke (t)+ y (t)比例調(diào)節(jié)（無積分）比例調(diào)節(jié)（無積分） 偏置偏置 PID2PID1Gp2(s)Gp1(s) R Y2Y1抗積分飽和措施：抗積分飽和措施： 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 4. 串級(jí)控制調(diào)節(jié)器作用方向串級(jí)控

14、制調(diào)節(jié)器作用方向 PID2PID1 減溫器減溫器過熱器過熱器 r T2T1 1）確定調(diào)節(jié)閥氣開氣關(guān)）確定調(diào)節(jié)閥氣開氣關(guān) 2）確定副對(duì)象特性）確定副對(duì)象特性 3）確定副調(diào)節(jié)器的作用方向）確定副調(diào)節(jié)器的作用方向 4）確定主對(duì)象特性）確定主對(duì)象特性 5）確定主調(diào)節(jié)器的作用方向）確定主調(diào)節(jié)器的作用方向 氣開閥氣開閥 副調(diào)正作用副調(diào)正作用 主調(diào)反作用主調(diào)反作用 當(dāng)串級(jí)與單回路切換時(shí)，當(dāng)串級(jí)與單回路切換時(shí)， 應(yīng)考慮主調(diào)節(jié)器的作用方應(yīng)考慮主調(diào)節(jié)器的作用方 向的切換向的切換 由串級(jí)切為單回路時(shí)主調(diào)改為正作用由串級(jí)切為單回路時(shí)主調(diào)改為正作用 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 5-4 調(diào)節(jié)

15、器的選型和整定調(diào)節(jié)器的選型和整定 1. 選型選型 1） 副調(diào)節(jié)器一般選副調(diào)節(jié)器一般選P調(diào)節(jié)，若主、副環(huán)頻率相差很大，也調(diào)節(jié)，若主、副環(huán)頻率相差很大，也 可選可選PI。 2） 主調(diào)節(jié)器一般選主調(diào)節(jié)器一般選PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié),若主回路有主要擾動(dòng)也可選若主回路有主要擾動(dòng)也可選PID。 2. 參數(shù)整定參數(shù)整定 1） 逐次逼近法。逐次逼近法。 （P.118P.118） 步步 2） 兩步整定法。兩步整定法。 （P.118P.118） 步步 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 采用串級(jí)調(diào)節(jié)控制的一般條件：采用串級(jí)調(diào)節(jié)控制的一般條件： *二次擾動(dòng)較頻繁；二次擾動(dòng)較頻繁； *較大遲延對(duì)象，且可分

16、成特性相差較大的導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)；較大遲延對(duì)象，且可分成特性相差較大的導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)； *副回路的工作頻率應(yīng)選擇主回路工作頻率的副回路的工作頻率應(yīng)選擇主回路工作頻率的3 31010倍倍 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 5-5 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 定義：定義：自動(dòng)保持兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)之間的比例關(guān)系的控制系統(tǒng)就自動(dòng)保持兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)之間的比例關(guān)系的控制系統(tǒng)就 是比值控制系統(tǒng)。是比值控制系統(tǒng)。 合成爐比值控制系統(tǒng)原理圖合成爐比值控制系統(tǒng)原理圖 KvGc(s)Gp(s) KmA 物料物料B KmB 物料物料A _ + R 單回路流量隨動(dòng)系統(tǒng)單回路流量隨動(dòng)系統(tǒng) 管道管道 重點(diǎn)

17、討論重點(diǎn)討論R的計(jì)算的計(jì)算 物料物料A C C DTDT 物料物料B DTDT R R 合成爐比值控制系統(tǒng)合成爐比值控制系統(tǒng) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 比值系數(shù)的計(jì)算比值系數(shù)的計(jì)算 比值系數(shù)的計(jì)算取決于測(cè)量信比值系數(shù)的計(jì)算取決于測(cè)量信 號(hào)的測(cè)取與處理號(hào)的測(cè)取與處理 1）流量與測(cè)量信號(hào)成非線性關(guān)系）流量與測(cè)量信號(hào)成非線性關(guān)系 流量由差壓變送器直接測(cè)得流量由差壓變送器直接測(cè)得 m a x pI - 4 = p2 0 - 4 物料物料A C C DTDT 物料物料B DTDT R R 合成爐比值控制系統(tǒng)合成爐比值控制系統(tǒng) 對(duì)于對(duì)于420mA變送器有：變送器有： 2 B

18、BB p= K Q 2 AAA p= K Q A A Amax p I=(20-4)+ 4 p B B Bmax p I=(20-4)+ 4 p 經(jīng)比值器經(jīng)比值器R后后 * BB I= (I- 4 ) + 4 為比值系數(shù)為比值系數(shù) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 將將 2 p = K Q代入，得到：代入，得到： 2 A A Amax Q I=16+4 Q 2 * B B Bmax Q I =16+4 Q 2 BmaxA BAmax QQ = QQ 在調(diào)節(jié)器為在調(diào)節(jié)器為PI作用時(shí)，在穩(wěn)態(tài)下，有作用時(shí)，在穩(wěn)態(tài)下，有 * AB I= I 設(shè)工藝要求流量比為設(shè)工藝要求流量比為

19、K，則：，則： 2 2 Bmax Amax Q = K Q *比值系數(shù)為常數(shù)，與負(fù)荷大小無關(guān)比值系數(shù)為常數(shù)，與負(fù)荷大小無關(guān) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 2）流量與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系）流量與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系 物料物料A CC DTDT 物料物料B DTDT R R 合成爐比值控制系統(tǒng)合成爐比值控制系統(tǒng) AA I=I -4 +4 BB I=I -4 +4 有有 * BB I= I -4 +4而 在在PI作用時(shí)，在穩(wěn)態(tài)下，有作用時(shí)，在穩(wěn)態(tài)下，有 * AB I= I K BmaxBmaxA BAmaxAmax QQQ = QQQ *比值系數(shù)為常數(shù)，與負(fù)荷大小無關(guān)比值系數(shù)

20、為常數(shù)，與負(fù)荷大小無關(guān) 結(jié)論：結(jié)論：無論怎樣處理測(cè)量信號(hào)比值器的比值都為常數(shù)，但無論怎樣處理測(cè)量信號(hào)比值器的比值都為常數(shù)，但 數(shù)值不同數(shù)值不同 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 2. 比值系統(tǒng)中非線性特性比值系統(tǒng)中非線性特性 1）直接采用差壓變送器的輸出電流作為流量信號(hào)）直接采用差壓變送器的輸出電流作為流量信號(hào) 2 A A Amax Q I=16+4 Q 32 A pA 2 AAmax dI K =Q dQQ 增益與負(fù)荷有關(guān)增益與負(fù)荷有關(guān) KvGc(s)Gp(s)KmA 物料物料B KmB 物料物料A _ + R A I QA 非線性特性導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制品質(zhì)隨負(fù)荷增加

21、而惡化。非線性特性導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制品質(zhì)隨負(fù)荷增加而惡化。 糾正措施：選擇具有補(bǔ)償特性的調(diào)節(jié)閥，使系統(tǒng)為線性糾正措施：選擇具有補(bǔ)償特性的調(diào)節(jié)閥，使系統(tǒng)為線性 A I QA 2）采用差壓變送器的輸出開方后作為流量信號(hào)）采用差壓變送器的輸出開方后作為流量信號(hào) 4 A A Amax Q I=+4 Q 4 A p AAmax dI K = dQQ 增益與負(fù)荷無關(guān)增益與負(fù)荷無關(guān) 測(cè)量信號(hào)的線性處理使系統(tǒng)的線性特性不改變測(cè)量信號(hào)的線性處理使系統(tǒng)的線性特性不改變 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 3. 比值控制系統(tǒng)的整定比值控制系統(tǒng)的整定 簡(jiǎn)單比值控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)流量簡(jiǎn)單比值控制

22、系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)流量 隨動(dòng)系統(tǒng)，因此衰減率應(yīng)比較大，一般隨動(dòng)系統(tǒng)，因此衰減率應(yīng)比較大，一般 選擇選擇0.91。 可考慮先在比例工況下使系統(tǒng)衰減可考慮先在比例工況下使系統(tǒng)衰減 率調(diào)整為率調(diào)整為1，然后加積分使系統(tǒng)衰減率減，然后加積分使系統(tǒng)衰減率減 為為0.9 。 QB QA 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)一般只適用于負(fù)荷變化不大的場(chǎng)合。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)一般只適用于負(fù)荷變化不大的場(chǎng)合。 負(fù)荷變化大應(yīng)選用多閉環(huán)比值控制。負(fù)荷變化大應(yīng)選用多閉環(huán)比值控制。 KvGc(s)Gp(s)KmA 物料物料B KmB 物料物料A _ + R 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 1）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)）

23、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 4. 常見比值系統(tǒng)常見比值系統(tǒng) 如鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中的風(fēng)、如鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中的風(fēng)、 煤控制煤控制 R 定值定值 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) R Kv2Gc2(s)Gp2(s) 煤量煤量 風(fēng)量風(fēng)量 _ + R Kv1Gc1(s)Gp1(s) _ 汽壓汽壓 定值定值 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 2）變比值控制系統(tǒng)）變比值控制系統(tǒng) R 變比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng) 如變換爐觸媒層溫度控制系統(tǒng)如變換爐觸媒層溫度控制系統(tǒng) QC DTDT C T 蒸汽蒸汽 煤氣煤氣 轉(zhuǎn)化氣轉(zhuǎn)化氣 定值定值 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系

24、統(tǒng) 第六章第六章 利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)的控制品質(zhì) 6-1 概述概述 6-2 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng) 6-3 大遲延系統(tǒng)大遲延系統(tǒng) 6-4 非線性增益補(bǔ)償系統(tǒng)非線性增益補(bǔ)償系統(tǒng) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 6-1 概述概述 反饋控制原理：按嘗試法根據(jù)偏差進(jìn)行控制反饋控制原理：按嘗試法根據(jù)偏差進(jìn)行控制 有偏差才控制有偏差才控制 不能事先規(guī)定調(diào)節(jié)器的輸出不能事先規(guī)定調(diào)節(jié)器的輸出 Gc(s)KvGp(s) - r +y D Gd (s) + + 反饋控制的缺點(diǎn)：反饋控制的缺點(diǎn)： KvGp(s) y D Gd (s) + + Gff(s) 設(shè)

25、計(jì)控制器設(shè)計(jì)控制器Gff(s)，使使 Gff(s) Kv Gp(s)+ Gd (s)=0。 則擾動(dòng)則擾動(dòng)D的變化與輸出的變化與輸出Y無關(guān)。無關(guān)。 前饋控制器前饋控制器 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 工程實(shí)際中幾種不變性工程實(shí)際中幾種不變性 ( )0( )0 i Dty t當(dāng)時(shí)， ( )0( ) i Dty t當(dāng)時(shí) ， ( )0lim( )0 i t Dty t 當(dāng)時(shí) ， （1）絕對(duì)不變性：）絕對(duì)不變性： （2）誤差不變性：）誤差不變性： （3）穩(wěn)態(tài)不變性：）穩(wěn)態(tài)不變性： （4）選擇不變性：對(duì)主要擾動(dòng)不變性）選擇不變性：對(duì)主要擾動(dòng)不變性 控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動(dòng)量絕對(duì)無

26、關(guān)或在一控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動(dòng)量絕對(duì)無關(guān)或在一 定準(zhǔn)確度下無關(guān)。即：定準(zhǔn)確度下無關(guān)。即： U(s) Y(s) D1(s) Di(s) Dn(s) 被控對(duì)象中的內(nèi)部擾動(dòng)（調(diào)節(jié)量）和外部擾動(dòng)被控對(duì)象中的內(nèi)部擾動(dòng)（調(diào)節(jié)量）和外部擾動(dòng) ( )0 ( )01,2, i D t y tin 當(dāng)時(shí)， 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 6-2 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng) 基本概念基本概念 靜態(tài)前饋靜態(tài)前饋 動(dòng)態(tài)前饋動(dòng)態(tài)前饋 1 前饋前饋反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) H W D 汽包水位控制例汽包水位控制例 Gc1(s)KvGp(s)

27、- r H D w + Gd(s) Gff(s) Gc2(s) 當(dāng)當(dāng)Gff(s) Gp(s)=- Gd(s)時(shí)，蒸汽擾動(dòng)對(duì)水位的影響消除。時(shí)，蒸汽擾動(dòng)對(duì)水位的影響消除。 把把Gff(s) 稱為前饋控制器。稱為前饋控制器。 ， 定義：定義：基于不變性原理的控制稱為前饋控制。是一種按擾動(dòng)進(jìn)行基于不變性原理的控制稱為前饋控制。是一種按擾動(dòng)進(jìn)行 補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制，不影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制，不影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 1 基本概念基本概念 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 定義：定義：基于不變性原理的控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)。是一種基于不變性原理的控制系統(tǒng)稱為前饋控制系

28、統(tǒng)。是一種 按擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)按擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng) 對(duì)對(duì) 象象 前饋控制器前饋控制器 D1 Di Dn y 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 2 靜態(tài)前饋靜態(tài)前饋 定義：保證在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下補(bǔ)償擾動(dòng)作用的定義：保證在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下補(bǔ)償擾動(dòng)作用的 前饋稱為靜態(tài)前饋。即基于穩(wěn)態(tài)不變性原前饋稱為靜態(tài)前饋。即基于穩(wěn)態(tài)不變性原 理理 ( )0lim( )0 i t Dty t 當(dāng)時(shí) ， 前饋控制器的設(shè)計(jì)可按簡(jiǎn)單情況和復(fù)雜情況進(jìn)行前饋控制器的設(shè)計(jì)可按簡(jiǎn)單情況和復(fù)雜情況進(jìn)行 Gff(s) G

29、p(s) Gd(s) D 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 簡(jiǎn)單情況：簡(jiǎn)單情況： H W D Gc1(s)KvGp(s) - r H D w + Gd(s) Gff(s) Gc2(s) 若若 p -p p p K G(s) =e 1 + T s d d d d - K G(s) =e 1 + T s 靜態(tài)前饋控制器為：靜態(tài)前饋控制器為： d ff p K K= K 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 靜態(tài)前饋控制器參數(shù)靜態(tài)前饋控制器參數(shù)Kff的整定：的整定： 1） 根據(jù)已知開環(huán)傳函計(jì)算：根據(jù)已知開環(huán)傳函計(jì)算： d ff p K K= K 2） 試驗(yàn)

30、法計(jì)算試驗(yàn)法計(jì)算（構(gòu)成（構(gòu)成PI反饋控制回路）反饋控制回路） Gff(s) Gp(s) Gd(s) D d(t) u(t) d1 d2 u1 u2 21 21 uu dd ff K= - Gc(s)Gp(s) - r +y D Gd (s) + + u 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 列管換熱器控制列管換熱器控制 換熱器熱平衡方程為：換熱器熱平衡方程為： 21 () prs Q cD H p c 為定壓比熱容為定壓比熱容 為汽化潛熱為汽化潛熱 s H 2121 ()() p ffrr s c KDQkQ H 那么前饋控制器為：那么前饋控制器為： 常數(shù)常數(shù) QC DT

31、DTT k 2r + - Q D 2 1 料液料液 加熱蒸汽加熱蒸汽 靜態(tài)前饋控制器靜態(tài)前饋控制器 復(fù)雜情況：（多變量前饋）復(fù)雜情況：（多變量前饋） 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 3 動(dòng)態(tài)前饋動(dòng)態(tài)前饋 若若 p -sp p p K G(s) =e 1 + T s d d d d -s K G(s) =e 1 + T s dp dp - ( - ) sp d f f pd - ( - ) sp f f d 1 + Ts K G( s ) =e K1 + Ts 1 + Ts Ke 1 + Ts 靜態(tài)前饋靜態(tài)前饋kff 動(dòng)態(tài)前饋動(dòng)態(tài)前饋Gff(s) Gff(s) Gp(s

32、) Gd(s) D 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) Kff Gp(s) Gd(s) D 擾動(dòng)擾動(dòng)D 調(diào)節(jié)輸出調(diào)節(jié)輸出yp 擾動(dòng)輸出擾動(dòng)輸出yd 系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出 動(dòng)態(tài)前饋產(chǎn)生動(dòng)態(tài)前饋產(chǎn)生 的面積的面積 動(dòng)態(tài)前饋動(dòng)態(tài)前饋Gff(s)的圖示說明：的圖示說明： 靜態(tài)前饋控制靜態(tài)前饋控制 動(dòng)態(tài)前饋要補(bǔ)動(dòng)態(tài)前饋要補(bǔ) 償?shù)拿娣e償?shù)拿娣e 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)前饋控制器（補(bǔ)償器）動(dòng)態(tài)前饋控制器（補(bǔ)償器） dp -(- )sp ff d 1 + T s G(s )e 1 + T s （1）討論：）討論： Tp=Td，則，則 dp -(- )s

33、ff G(s )e 若若 , dp 動(dòng)態(tài)前饋為純遲延可實(shí)現(xiàn)；動(dòng)態(tài)前饋為純遲延可實(shí)現(xiàn)； 若若 , dp 動(dòng)態(tài)前饋為純提前不可實(shí)現(xiàn)。動(dòng)態(tài)前饋為純提前不可實(shí)現(xiàn)。 擾擾 動(dòng)動(dòng) D Gff(s) Gp(s) Gd(s) D 由此可得到：在選擇調(diào)節(jié)通道時(shí)應(yīng)選擇遲延短的和時(shí)間常數(shù)小由此可得到：在選擇調(diào)節(jié)通道時(shí)應(yīng)選擇遲延短的和時(shí)間常數(shù)小 的通道。的通道。 p d 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) p= d ，則，則 p f f d 1 + T s G(s ) 1 + T s 若若Tp=Td, 1 ff G(s ) 若若TpTd, 若若Tp0.3/T0.3 控制難度：超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)

34、控制難度：超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng) 簡(jiǎn)單解決辦法：簡(jiǎn)單解決辦法： d Gp(s)PI 3 4 T s + 1 Ts + 1 ry 微分先行控制微分先行控制 d Gp(s)PI DD D K T s T s +1 ry 中間反饋控制中間反饋控制 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 某大遲延對(duì)象不同控制方案仿真結(jié)果某大遲延對(duì)象不同控制方案仿真結(jié)果 方案方案 PID 微分先行微分先行 中間反饋中間反饋 超調(diào)量超調(diào)量調(diào)節(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間 0.289 0.162 0.133 25min 28min 21min 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 2 采用補(bǔ)償原理克服大

35、遲延的影響采用補(bǔ)償原理克服大遲延的影響 Gc(S) R(s)Y(s) d - s pp K g (s)e ss K g (s) + + + - U(s) Y (s) 史密斯預(yù)估控制原理圖史密斯預(yù)估控制原理圖 pp Y (s) = Kg(s) U (s) 史密斯預(yù)估控制原理史密斯預(yù)估控制原理 通過加補(bǔ)償器使被延遲的通過加補(bǔ)償器使被延遲的 被調(diào)量超前反映。即：被調(diào)量超前反映。即： d -s ppss Y (s) = (Kg(s)e+ Kg (s)U (s) d -s ppppss Kg(s) = Kg(s)e+ Kg (s) (1) d -s sspp Kg (s) = Kg(s)e 整理得史密斯

36、預(yù)估器為：整理得史密斯預(yù)估器為： 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) Gc(S) R(s)Y(s) d - s pp K g (s)e d - s e + + - U(s) Y(s) pp K g (s) + + - D(s) R d dd d d -s pcp -s-s pcppcp -s pcppcp -s pcp KG(s)g(s)e 1 + KG(s)g(s)(1 - e)KG(s)g(s)e Y (s) = KG(s)g(s)e(s)1 + KG(s)g(s) 1 + 1 + KG(s)g(s)(1 - e) 由梅遜公式得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)由梅遜公式得到系統(tǒng)閉環(huán)

37、傳遞函數(shù) 系統(tǒng)特征方程不純含遲延項(xiàng)，因此消除了純遲延對(duì)系統(tǒng)控制系統(tǒng)特征方程不純含遲延項(xiàng)，因此消除了純遲延對(duì)系統(tǒng)控制 品質(zhì)的影響。品質(zhì)的影響。 史密斯控制框圖史密斯控制框圖 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) Gc(S) R(s)Y(s) d - s pp K g (s)e d - s e + + - U(s) Y(s) pp K g (s) + + - D(s) 定值擾動(dòng)定值擾動(dòng)R 常規(guī)常規(guī)PID系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出 史密斯控制系統(tǒng)輸出史密斯控制系統(tǒng)輸出 負(fù)荷擾動(dòng)負(fù)荷擾動(dòng)D 常規(guī)常規(guī)PID系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出 史密斯控制系統(tǒng)輸出史密斯控制系統(tǒng)輸出 過程控制過程控制 第二篇第二篇

38、復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 史密斯預(yù)估控制雖然對(duì)定值擾動(dòng)有很好的控制效果，然而史密斯預(yù)估控制雖然對(duì)定值擾動(dòng)有很好的控制效果，然而 對(duì)其他擾動(dòng)控制效果變差，而且當(dāng)預(yù)估器模型不準(zhǔn)確時(shí)，控制對(duì)其他擾動(dòng)控制效果變差，而且當(dāng)預(yù)估器模型不準(zhǔn)確時(shí)，控制 效果也變差。效果也變差。 史密斯預(yù)估器的幾種改進(jìn)方案史密斯預(yù)估器的幾種改進(jìn)方案 實(shí)現(xiàn)完全抗干擾實(shí)現(xiàn)完全抗干擾 的史密斯補(bǔ)償器的史密斯補(bǔ)償器 Gc(S) R(s)Y(s) d - s pp K g (s)e d - s e + + - U(s) Y(s) pp K g (s) + + - D(s) Gf(S) - 方案一方案一 d d d -s pp -s pc

39、p -s ppfpcp Kg(s)e Y (s) = KG(s)g(s)eD (s) 1 + 1 + Kg(s)G(s)KG(s)g(s)(1 - e) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 上式分子項(xiàng)為上式分子項(xiàng)為0，可使系統(tǒng)完全不受擾動(dòng)，可使系統(tǒng)完全不受擾動(dòng)D的影響。的影響。 d - s pcp f pp 1 + K G (s)g (s)(1 - e) G (s) = K g (s) dd - s- s ppfpcppp ppfpcp 1 + K g (s)G (s)K G (s)g (s)(1 - e)K g (s)e Y (s) = D (s)1 + K g (s)

40、G (s)K G (s)g (s) 整理得：整理得： 顯然只要取顯然只要取 再看：再看： d - s ppc ppfpcp K g G (s)(s)e Y(s) = R(s)1 + K g (s)G (s)K G (s)g (s) 1 d d - s ppc - s ppc K g G (s)(s)e Y(s) = R(s)K g G (s)(s)e 系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)對(duì)R的響應(yīng)為的響應(yīng)為1，完全跟蹤設(shè)定值。，完全跟蹤設(shè)定值。 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 方案二方案二 Gc(S) R(s)Y(s) d - s pp K g (s)e d - s e + - U(s) Y(

41、s) mm K g (s) D(s) 1+TDs 增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案 當(dāng)模型匹配時(shí)可簡(jiǎn)化為當(dāng)模型匹配時(shí)可簡(jiǎn)化為 Gc(S) R(s)Y(s) d - s e + - U(s) Y(s) pp K g (s) D(s) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 6-4 非線性增益補(bǔ)償系統(tǒng)非線性增益補(bǔ)償系統(tǒng) 自學(xué)自學(xué) 當(dāng)模型失配時(shí)可近似為當(dāng)模型失配時(shí)可近似為 Gc(S) R(s)Y(s) d - s pp K g (s)e + - U(s) Y(s) mm K g (s) D(s) K 反饋增益隨模型失配情況變化反饋增益隨模型失配情況變化 過程控制過程控制 第二篇

42、第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 第七章第七章 解解 耦耦 控控 制制 7-1 相對(duì)增益相對(duì)增益 7-2 耦合系統(tǒng)中的變量匹配和調(diào)節(jié)參數(shù)整定耦合系統(tǒng)中的變量匹配和調(diào)節(jié)參數(shù)整定 7-3 解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7-4 實(shí)現(xiàn)解耦控制系統(tǒng)的幾個(gè)問題實(shí)現(xiàn)解耦控制系統(tǒng)的幾個(gè)問題 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 單元制火力發(fā)電機(jī)組負(fù)荷對(duì)象單元制火力發(fā)電機(jī)組負(fù)荷對(duì)象 GpB(s) Gp(s) GNB(s) GN(s) N pT B N pT B Vs N pT B 負(fù)荷控制為多變量控制，負(fù)荷控制為多變量控制， 對(duì)象存在存在耦合對(duì)象存在存在耦合 過程控制過程控制 第二篇

43、第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) GpB(s) Gp(s) GNB(s) GN(s) N pT B PID PID GNB(s) GN(s) GpB(s) Gp(s) p T N B PID PID 簡(jiǎn)單控制方案簡(jiǎn)單控制方案 缺陷：一個(gè)回路的控制缺陷：一個(gè)回路的控制 動(dòng)作會(huì)對(duì)其他回路產(chǎn)生動(dòng)作會(huì)對(duì)其他回路產(chǎn)生 影響。影響。 原因：系統(tǒng)之間存在耦原因：系統(tǒng)之間存在耦 合。合。 因此，了解系統(tǒng)之間的因此，了解系統(tǒng)之間的 耦合是進(jìn)行多變量自動(dòng)控耦合是進(jìn)行多變量自動(dòng)控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 7-1 相對(duì)增益相對(duì)增益 相對(duì)增益：一個(gè)

44、調(diào)節(jié)量相對(duì)增益：一個(gè)調(diào)節(jié)量i i對(duì)一個(gè)被調(diào)量的對(duì)一個(gè)被調(diào)量的yj j的影響的影響 設(shè)系統(tǒng)的開環(huán)增益矩陣為設(shè)系統(tǒng)的開環(huán)增益矩陣為P，記作：，記作： r i ij j y p 矩陣矩陣P的元素的元素pij ij的靜態(tài)值稱為 的靜態(tài)值稱為j j到通道到通道yi i的第一放大系數(shù)，的第一放大系數(shù)， 即即j j到通道到通道yi i的靜態(tài)增益。表示為的靜態(tài)增益。表示為 y = P 1. 相對(duì)增益定義相對(duì)增益定義 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) G22(s) G21(s) G12(s) G11(s) 1y1 y2 2 對(duì)于雙變量系統(tǒng)對(duì)于雙變量系統(tǒng) 11121112 21222122

45、 ppkk ppkk P 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 設(shè)所有其它回路閉合，保持其它被調(diào)量不變的情況下，各通設(shè)所有其它回路閉合，保持其它被調(diào)量不變的情況下，各通 道開環(huán)增益矩陣為道開環(huán)增益矩陣為Q。它的元素。它的元素qij ij的靜態(tài)值稱為 的靜態(tài)值稱為j j到通道到通道yi i的的第第 二放大系數(shù)。表示為：二放大系數(shù)。表示為： r i ijy j y q 定義定義 r r i ijj ij i ij y j y p y q 為為j j到通道到通道yi i的相對(duì)增益的相對(duì)增益 由由 ij 元素組成的矩陣元素組成的矩陣為相對(duì)增益矩陣。為相對(duì)增益矩陣。 過程控制過程控制

46、 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 2. 相對(duì)增益計(jì)算相對(duì)增益計(jì)算 y = P 設(shè)式設(shè)式中中P為滿秩，則有：為滿秩，則有： = H y式中式中H=P-1 定義定義 1 r j jiy iji h qy 則有則有 1 ji ij h q 1 T T = PHPP det ij ijij P p= P 相對(duì)增益計(jì)算式相對(duì)增益計(jì)算式 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 對(duì)雙變量系統(tǒng)有對(duì)雙變量系統(tǒng)有 1221 12 11221221 -kk k k-kk = 1122 11 11221221 k k k k-kk = 1221 21 11221221 -kk k k-kk

47、= 1122 22 11221221 k k k k-kk = 因此有如下關(guān)系存在：因此有如下關(guān)系存在： 1112 1= 1121 1= 2221 1= 2212 1= 橫加橫加縱加縱加 推廣之，則有推廣之，則有 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 1 111 d e t1 d e t nnn ij ijijijij jjj P ppP =P P 1 111 d e t1 d e t nnn ij ijijijij iii P ppP =P P 相對(duì)增益反映的系統(tǒng)耦合特性：相對(duì)增益反映的系統(tǒng)耦合特性： （1）0.8ij ij1.2，表明其它通道對(duì)該通道的耦合弱，不需 ，表

48、明其它通道對(duì)該通道的耦合弱，不需 解耦；解耦； （2）ij ij0，表明本通道通道調(diào)節(jié)作用弱，不適宜最為調(diào)節(jié) ，表明本通道通道調(diào)節(jié)作用弱，不適宜最為調(diào)節(jié) 通道；通道； （3）0.3ij ij1.5，表明其它通道對(duì)該通道的耦合強(qiáng)，表明其它通道對(duì)該通道的耦合強(qiáng)， 需解耦。需解耦。 4. 相對(duì)增益性質(zhì)相對(duì)增益性質(zhì) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 7-2 耦合系統(tǒng)中的變量匹配和調(diào)節(jié)器參數(shù)整定耦合系統(tǒng)中的變量匹配和調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 耦合的多變量系統(tǒng)調(diào)節(jié)量和被調(diào)量之間的配對(duì)是進(jìn)行良耦合的多變量系統(tǒng)調(diào)節(jié)量和被調(diào)量之間的配對(duì)是進(jìn)行良 好控制的必要條件。好控制的必要條件。 GpB(s)

49、Gp(s) GNB(s) GN(s) N p T B PID PID GNB(s) GN(s) GpB(s) Gp(s) pT N B PID PID 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 1. 變量之間的配對(duì)變量之間的配對(duì) （1）0.8ij1.2 根據(jù)定義根據(jù)定義 r r i j i j i y j y y 其它通道閉環(huán)與否對(duì)該通道影響很小，表明其它通道對(duì)該通其它通道閉環(huán)與否對(duì)該通道影響很小，表明其它通道對(duì)該通 道的耦合弱。不需要解耦，變量配對(duì)合適。道的耦合弱。不需要解耦，變量配對(duì)合適。 （2）ij0 表明該通道調(diào)節(jié)量對(duì)被調(diào)量的影響很微弱，變量配對(duì)不合適，表明該通道調(diào)節(jié)量

50、對(duì)被調(diào)量的影響很微弱，變量配對(duì)不合適， 不適宜最為調(diào)節(jié)通道。不適宜最為調(diào)節(jié)通道。 k22g22 (s) k21g21(s) k12g 12(s) k11g11(s) 1y1 y2 2 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 說明說明1與與y1 、 2與與y2的配對(duì)合適，這樣的配對(duì)系統(tǒng)不需解耦。的配對(duì)合適，這樣的配對(duì)系統(tǒng)不需解耦。 1112 2122 kk4 -1 P= kk15 1112 2122 0.95 0.05 = 0.05 0.95 例如：雙變量系統(tǒng)例如：雙變量系統(tǒng) 若取若取 11 22 y =P y 12 21 y =P y -1 4 P = 51 09 90 0.

51、 5 0. 5 = 0. 5 0. 5 則：則： 說明說明1與與y2 、 2與與y1的配對(duì)不合適。的配對(duì)不合適。 k22g22 (s) k21g21(s) k12g 12(s) k11g11(s) 1y1 y2 2 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) G22(s) G21(s) G12(s) G11(s) 1 y1 y2 2 PID PID G12(s) G11(s) G22(s) G21(s) 1 y2 y1 2 PID PID 41 15 11 22 y = y 1 4 51 12 21 y = y 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) （3）0.

52、3ij1.5 說明其它回路的閉合使該通道的等效增益減小，耦合強(qiáng)，需說明其它回路的閉合使該通道的等效增益減小，耦合強(qiáng)，需 解耦。解耦。 k22g22 (s) k21g21(s) k12g 12(s) k11g11(s) 1y1 y2 2 Gc(s) k11g11 (s) y11 r r i j i j i y j y y 1 1 1 11 11 1 1 1 k k k k 根據(jù)：根據(jù)： 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 2. 調(diào)節(jié)參數(shù)的整定調(diào)節(jié)參數(shù)的整定 （1）ij1，耦合很弱，系統(tǒng)設(shè)計(jì)無需考慮解耦。，耦合很弱，系統(tǒng)設(shè)計(jì)無需考慮解耦。 k22g22 (s) k21g21(

53、s) k12g 12(s) k11g11(s) 1y1 y2 2 k11g11 (s) y11 k22g22 (s) y12 系統(tǒng)按單變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)器參數(shù)按單變量整定方系統(tǒng)按單變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)器參數(shù)按單變量整定方 法整定。法整定。 Gc1(s) Gc2(s) 如：如： 雙變量對(duì)象雙變量對(duì)象111 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) （2）ij0，表明該通道調(diào)節(jié)量對(duì)被調(diào)量的影響很微弱，變量，表明該通道調(diào)節(jié)量對(duì)被調(diào)量的影響很微弱，變量 配對(duì)不合適。配對(duì)不合適。 k22g22 (s) k21g21(s) k12g 12(s) k11g11(s) 1y1 y2 2 k21g

54、21 (s) y21 k12g12 (s) y12 Gc1(s) Gc2(s) 如：如： 雙變量對(duì)象雙變量對(duì)象110 調(diào)整變量配對(duì)后，（對(duì)于雙變量）系統(tǒng)可按單變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，調(diào)整變量配對(duì)后，（對(duì)于雙變量）系統(tǒng)可按單變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 調(diào)節(jié)器參數(shù)按單變量整定方法整定。調(diào)節(jié)器參數(shù)按單變量整定方法整定。 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) （3）ij1 說明其它回路的閉合使該通道的等效增益減小。說明其它回路的閉合使該通道的等效增益減小。 k22g22 (s) k21g21(s) k12g 12(s) k11g11(s) 1y1 y2 2 Gc(s) k11g11 (s) y11 1

55、1 1 11 11 1 1 1 k kk k 先在其它回路開環(huán)時(shí)按單變量整定先在其它回路開環(huán)時(shí)按單變量整定 調(diào)節(jié)器參數(shù)，當(dāng)其它回路閉合時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)器參數(shù)，當(dāng)其它回路閉合時(shí)，適當(dāng) 減小比例帶。減小比例帶。 例如：例如： 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) （4）ij0 說明其它回路的閉合使說明其它回路的閉合使i對(duì)對(duì)yj影響改變方向影響改變方向 k22g22 (s) k21g21(s) k12g 12(s) k11g11(s) 1y1 y2 2 Gc(s) k11g11 (s) y11 1 1 1 1 1 1 k 0 k 例如：例如： 先在其它回路開環(huán)時(shí)按單變量整定調(diào)先在其它

56、回路開環(huán)時(shí)按單變量整定調(diào) 節(jié)器參數(shù)，當(dāng)其它回路閉合時(shí)，調(diào)節(jié)器節(jié)器參數(shù)，當(dāng)其它回路閉合時(shí)，調(diào)節(jié)器 應(yīng)改變方向才能使系統(tǒng)穩(wěn)定。應(yīng)改變方向才能使系統(tǒng)穩(wěn)定。 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 7-3 解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 對(duì)于耦合系統(tǒng)，如采取單變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，盡管可通過對(duì)于耦合系統(tǒng)，如采取單變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，盡管可通過 仔細(xì)地調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)改善控制品質(zhì)，但耦合嚴(yán)重的系統(tǒng)，仔細(xì)地調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)改善控制品質(zhì)，但耦合嚴(yán)重的系統(tǒng)， 還是需要進(jìn)行解耦控制設(shè)計(jì)。常用有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有：還是需要進(jìn)行解耦控制設(shè)計(jì)。常用有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有： 前饋補(bǔ)償法前饋補(bǔ)償法 對(duì)角矩陣法對(duì)角矩陣

57、法 單位矩陣法單位矩陣法 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 1. 前饋補(bǔ)償法前饋補(bǔ)償法 k22g22 (s) k21g21(s) k12g 12(s) k11g11(s) 1y1 y2 2 D21(s) D12(s) Gc2(s) Gc1(s) - + + + + + + + + + + - 只要使：只要使： 2121212222 1212121111 k g+D kg= 0 k g+D k g= 0 就可使系統(tǒng)解耦等效系統(tǒng)為就可使系統(tǒng)解耦等效系統(tǒng)為 k11g11 (s) y11 k22g22 (s) y22 Gc1(s) Gc2(s) 前饋補(bǔ)償前饋補(bǔ)償 過程控制過程控

58、制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 2. 對(duì)角矩陣法對(duì)角矩陣法 G22 (s) G21(s) G 12(s) G11(s) 1y1 y2 2 D22 (s) D21(s) D 12(s) D11(s) c1 c2 G C2(s) G C1 (s) 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 選擇選擇 c111112111121112 c222122221222122 (s)y (s)G (s) G (s) (s)G (s) G (s)D (s)D (s) = (s)y (s)G (s) G (s) (s)G (s) G (s)D (s) D (s) -1 1112111211 2122212222 D (s)D

59、 (s)G (s)G (s)G (s)0 D (s)D (s)G (s)G (s)0G (s) 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 等效系統(tǒng)為等效系統(tǒng)為 G11 (s) y1c1 G22 (s) y2c2 Gc1(s) Gc2(s) 0 0 c1111 c2222 (s)y (s)G(s) = (s)y (s)G(s) 可使可使 兩個(gè)單變量系統(tǒng)兩個(gè)單變量系統(tǒng) 這種解耦方法不僅可以解除耦合，還可改善單變量對(duì)象特性。這種解耦方法不僅可以解除耦合，還可改善單變量對(duì)象特性。 但解耦網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，往往難以實(shí)現(xiàn)。但解耦網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，往往難以實(shí)現(xiàn)。 過程控制過程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 3. 單位矩陣法單位矩陣法 G22 (s) G21(s) G 12(s) G11(s) 1y1 y2 2 D22 (s) D21(s) D 12(s) D11(s) c1 c2 G C2(s) G C1 (s) 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 選擇選擇 c111112111121112 c222122221222122 (s)y (s)G (s) G (s) (s)G (s) G (s)D (s)D (s) = (s)y (s)G (s) G (s) (s)G (s) G (s)D (s