河南工業(yè)大學(xué)過(guò)程控制12

1、河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)主要內(nèi)容主要內(nèi)容n解耦控制系統(tǒng)解耦控制系統(tǒng)n相對(duì)增益n對(duì)角矩陣解耦法n前饋補(bǔ)償解耦法n比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)n單閉環(huán)比值控制n雙閉環(huán)比值控制n變比值控制河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)變量耦合n所謂“耦合”是指不同的控制系統(tǒng)，控制參數(shù)與被控參數(shù)之間存在相互影響。n多變量過(guò)程控制系統(tǒng)中，子系統(tǒng)間耦合是經(jīng)常存在的。若耦合程度不高，可認(rèn)為各子系統(tǒng)間相對(duì)獨(dú)立，按單變量系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。n若關(guān)聯(lián)緊密，就不能將大系統(tǒng)簡(jiǎn)單分解。否則不但得不到滿(mǎn)意的控制效果，甚至得不到穩(wěn)定的控制過(guò)程。 河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)一個(gè)耦合系統(tǒng)的例子混合攪拌系統(tǒng) n兩種工質(zhì)A、B均

2、勻混合攪拌。n控制參數(shù)：m1=FA、m2=FB；n被控參數(shù)：輸出量F=FA+FB及混合后的成份x=FA/F，即y1=X，y2=F。 河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)相對(duì)增益的定義 n為了衡量一個(gè)選定的控制量與其配對(duì)的被控量間的影響程度，引入相對(duì)增益概念。若某通道的被控量記作 ，其控制量記作 ，則該通道的相對(duì)增益定義為：n分子表示所有回路均開(kāi)環(huán)（即其他控制量 均不變）時(shí)，該通道的開(kāi)環(huán)增益（第一增益）；n分母表示其他回路閉環(huán)（即其他回路控制量在調(diào)整，而其對(duì)應(yīng)的被控量 均不變）時(shí)，該通道的開(kāi)環(huán)增益（第二增益）。 iyjmrmjrnr,.2 , 1ryirnr,.2 , 1consymyconsmm

3、yqpjijiijijij河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)基于定義的相對(duì)增益求法n首先，在所有回路均開(kāi)環(huán)情況下，改變 ，得到 ，確定該通道的第一增益 ；n然后，在所有其他回路都閉環(huán)情況下，由于 發(fā)生變化， 變成了 ，據(jù)此確定該通道的第二增益 。n本方法稱(chēng)為在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)法，較麻煩，且生產(chǎn)上常常不允許。11/ mypij11/ myqij1m1y2m1y1y河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)相對(duì)增益的意義n相對(duì)增益的大小反映了某個(gè)控制通道的作用強(qiáng)弱和其它通道對(duì)它耦合的強(qiáng)弱比較；n相對(duì)增益可作為選擇控制通道的依據(jù)。河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)相對(duì)增益矩陣及性質(zhì) n 的值愈接近于1，則說(shuō)明第 個(gè)被

4、控量相對(duì)于第 個(gè)控制量間的耦合程度越大，其控制效果也就越明顯。n可以證明，多變量系統(tǒng)相對(duì)增益矩陣中每行（列）上的相對(duì)增益總和為1。這可以用來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算。 n相對(duì)增益矩陣一般為方陣。ijiijjiyyy21222211121121jmmm21ijij河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)基于輸出檢測(cè)確定相對(duì)增益舉例 BAFFFFFFFFxABAAFxFFFFxppBABFAxFBA1)(211FFxqqFAxFA111xqp1111111 xxxxFx11BAFF河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)混合攪拌相對(duì)增益的物理意義n1.若x50%，說(shuō)明用FA控制x較好；n2.反之，若x50%，說(shuō)明用FA控制F

5、較好。 xxxxFx11BAFFFFFFFxABAA河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)相對(duì)增益的幾點(diǎn)結(jié)論 n1.若某一對(duì)變量的相對(duì)增益愈接近于1，則表明其他通道對(duì)本通道的影響將很小，這一對(duì)變量配對(duì)是合理的。 n2.若矩陣中各元素?cái)?shù)值相近，則此時(shí)變量間的關(guān)聯(lián)最為嚴(yán)重。n3.若有的元素大于1 ，則在其同行（及同列）中必有一個(gè)負(fù)數(shù)。相對(duì)增益出現(xiàn)負(fù)值時(shí)稱(chēng)為負(fù)耦合，構(gòu)成閉環(huán)時(shí)形成正反饋，控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)常用解耦設(shè)計(jì)方法 n1.適當(dāng)選擇變量配對(duì)，將大系統(tǒng)分解為若干相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。n2.對(duì)角矩陣解耦法（含單位矩陣解耦法）。n3.前饋補(bǔ)償解耦法 ，是目前工業(yè)上應(yīng)用最普遍的一

6、種解耦方法。 河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)對(duì)角矩陣解耦法 n思路：采用解耦網(wǎng)絡(luò)將耦合系統(tǒng)化為對(duì)角陣。n現(xiàn)狀：n手段：n目標(biāo)：)()()()()(22211211sDsDsDsDsD)(00)()(2211sWsWsW)()()()()(222112110sWsWsWsWsWc2c1221121MM)s(w00)s(wYY河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)對(duì)角矩陣解耦法（續(xù)）c2c1222112112221121121MM)s(D)s(D)s(D)s(D)s(w)s(w)s(w)s(wYYc2c1221121MM)s(w00)s(wYY)s(w00)s(w)s(w)s(w)s(w)s(w)

7、s(D)s(D)s(D)s(D221112221121122211211河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)對(duì)角矩陣解耦網(wǎng)絡(luò) )s(w00)s(w)s(w)s(w)s(w)s(w)s(D)s(D)s(D)s(D221112221121122211211)s(w)s(w)s(w)s(w)s(w)s(w)s(w)s(w)s(w)s(w)s(w)s(w1221121112212221121122211)s(w00)s(w)s(w)s(w)s(w)s(w)s(w)s(w)s(w)s(w122111121122221122211河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)單位矩陣解耦網(wǎng)絡(luò) n思路：不僅化為對(duì)角陣，而

8、且使對(duì)角陣化為單位陣。n不但消除了耦合，也改變了等效被控對(duì)象的特性，由于此時(shí)對(duì)象特性為1，理論上極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。n缺點(diǎn)：解耦網(wǎng)絡(luò)模型可能難以實(shí)現(xiàn)。1001) s (w) s (w) s (w) s (w122211211) s (w) s (w) s (w) s (w) s (w) s (w) s (w) s (w11121122221122211) s (w00) s (w) s (w) s (w) s (w) s (w) s (D) s (D) s (D) s (D221112221121122211211河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)前饋補(bǔ)償解耦法 n將有耦合的控制參數(shù)當(dāng)作擾

9、動(dòng)量，根據(jù)不變性原理設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償解耦網(wǎng)絡(luò)。n解耦網(wǎng)絡(luò)較對(duì)角陣解耦簡(jiǎn)潔，工業(yè)應(yīng)用廣泛。 )()()(111212sWsWsD)()()(222121sWsWsD0)s(W)s(D)s(W0)s(W)s(D)s(W222121111212河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)解耦系統(tǒng)的簡(jiǎn)化 n不管是單位矩陣解耦或前饋解耦，解耦模型往往十分復(fù)雜。n對(duì)耦合對(duì)象模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，若最大時(shí)間常數(shù)與最小的時(shí)間常數(shù)相差較大，可忽略最小時(shí)間常數(shù)。n對(duì)解耦網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，即靜態(tài)解耦。靜態(tài)解耦能在一定程度上減小被控參數(shù)變化的幅值，盡管會(huì)存在動(dòng)態(tài)偏差，但其幅值已相應(yīng)減小。靜態(tài)解耦是一種基本而有效的解耦方法。河南工業(yè)

10、大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) n定義：兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)自動(dòng)維持一定比值關(guān)系的過(guò)程控制系統(tǒng)。 n例如：n燃燒過(guò)程中，為保證燃燒經(jīng)濟(jì)性，需保持燃料量和空氣量按一定比例混合后送入爐膛；n造紙過(guò)程中，為保證紙漿濃度，必須控制紙漿量和水量按一定的比例混合。河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)主動(dòng)量和從動(dòng)量主動(dòng)量和從動(dòng)量n比值控制系統(tǒng)中，起主導(dǎo)作用的物料流量一般為主動(dòng)量q1。如燃燒過(guò)程中的燃料量、造紙中的紙漿量；n隨主動(dòng)量變化的物料流量稱(chēng)為從動(dòng)量q2。如燃燒過(guò)程中的空氣量、造紙中的水量。nq2與q1保持一定的比值 ，即：1212kqqqqk或河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)比值控制方案

11、n根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的不同需求，有3種常用的比值控制方案：n單閉環(huán)比值控制；n雙閉環(huán)比值控制；n變比值控制。n單閉環(huán)或雙閉環(huán)比值控制中，比值系數(shù)固定不變；而變比值控制中，比值系數(shù)可變。河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制 n從動(dòng)量q2是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)；n主動(dòng)量q1開(kāi)環(huán)， Wc1(s)=k； q2 的給定是k q1 ，故從動(dòng)量又是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。n特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可克服作用于從動(dòng)量回路中的擾動(dòng)，應(yīng)用于主動(dòng)量可測(cè)不可控場(chǎng)合。河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制 n由一個(gè)定值控制的主動(dòng)量回路和一個(gè)跟隨主動(dòng)量變化的從動(dòng)量控制回路組成。n特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)主動(dòng)量定值控制，使總物料量穩(wěn)定

12、?？煽朔鲃?dòng)量和從動(dòng)量的擾動(dòng)，適用于要求負(fù)荷變化平穩(wěn)的場(chǎng)合，但控制稍復(fù)雜。河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)變比值控制 n不管是單閉環(huán)或雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，其控制的目的就是要保證兩種物料流量的比值固定不變。n變比值控制中，比值只是手段，而不是最終目的。n變比值控制系統(tǒng)通過(guò)控制流量比值，來(lái)實(shí)現(xiàn)第三參數(shù)的穩(wěn)定不變。本質(zhì)上是一個(gè)以第三參數(shù)為主參數(shù)、以流量比為副參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)。第三參數(shù)往往是產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。 河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)變比值控制的例子河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例變比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例-需求分析需求分析n工藝與控制要求：n產(chǎn)量基本穩(wěn)定；n磨機(jī)內(nèi)部磨礦

13、濃度穩(wěn)定。n對(duì)于一段磨機(jī)，若給礦量穩(wěn)定，系統(tǒng)按比例控制給水量，可以初步穩(wěn)定一段磨機(jī)內(nèi)的濃度。n受原礦性質(zhì)、磨機(jī)排礦速度變化等因素的影響，若僅以固定比值控制給水，難以保證磨礦濃度，甚至?xí)斐赡C(jī)“脹肚”等設(shè)備事故。河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例變比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例-控制方案控制方案n對(duì)一段磨機(jī)而言，濃度發(fā)生變化后，要求礦和水兩種物料流量的比值要隨之變化，決定采用變比值控制方案。 n主動(dòng)量為磨礦濃度；從動(dòng)量為礦和水兩種物料流量的比值。n在從動(dòng)量調(diào)節(jié)過(guò)程中，由于礦量是生產(chǎn)負(fù)荷，起主導(dǎo)地位，故以調(diào)節(jié)水量為主來(lái)改變比值。河南工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例變比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例-控制方框圖控制方框圖河南工業(yè)大學(xué)