过程控制系统[李国勇][电子教案]第9章解耦控制系统.ppt

例9-2 如图9-9所示，U1、U2两种液体在管道中均匀混合后，生成一种所需成分的混合液。要求对混合液的成分Y1和总流量Y2进行控制，设利用混合液的成分Y1控制液体Y2的质量百分数为0.3，试求被控变量与控制变量之间的正确配对关系。 分析表明，相对增益系数可以反映如下耦合特性： (1) 如果相对增益?ij接近于 1时，例如 0.8?l.2，则表明其他通道对该通道的关联作用很小，无需进行解耦系统设计。 (2) 如果相对增益?ij小于零或接近于零时，则表明使用本通道控制器不能得到良好的控制效果。换句话说，这个通道的变量选配不恰当，应重新选择。 (3) 如果相对增益在0.3?0.7之间或者?1.5时，它表明系统中存在着非常严重的耦合，必须进行解耦设计。 9.2.3 减少及消除耦合的方法 一个耦合系统，有时会发生这样的情况，每个控制回路的设计、调试都是正确的，可是当它们都投入运行时，由于回路间耦合严重，系统不能正常工作。此时如将变量重新配对、调试，整个系统就能工作了。这说明正确的变量配对是进行良好控制的必要条件。除此以外还应看到，有时系统之间互相耦合还可能隐藏着使系统不稳定的反馈回路。尽管每个回路本身的控制性能合格，但当最后一个控制器投入自动时，系统可能完全失去控制。如果把其中的一个或同时把几个控制器重新加以整定，就有可能使系统恢复稳定，虽然这需要以降低控制性能为代价。 1．选用最佳的变量配对 选用适当的变量配对关系，也可以减少系统的耦合程度。 2．重新整定控制器参数 对于系统之间的耦合，有些可以采用重新整定控制器参数的方法来加以克服。实验证明，减少系统耦合程度最有效的办法之一就是加大控制器的增益。 以上是减少与解除耦合的两种常用方法，其它解耦方法还包括：通过减少控制回路、采用模式控制系统以及多变量控制器等途径也能实现减少或消除耦合的目的等。因篇幅所限，此处不再赘述。 9.3 解耦控制系统的设计 对于有些多变量控制系统，在耦合非常严重的情况下，即使采用最好的变量匹配关系或重新整定控制器的方法，有时也得不到满意的控制效果。两个特性相同的回路尤其麻烦，因为它们之间具有共振的动态响应。如果都是快速回路（例如流量回路），把一个或更多的控制器加以特殊的整定就可以克服相互影响；但这并不适用于都是慢速回路（如成分回路）的情况。因此，对于耦合严重的多变量系统需要进行解耦设计，否则系统不可能稳定。 解耦控制设计的主要任务是解除控制回路或系统变量之间的耦合。解耦设计可分为完全解耦和部分解耦。完全解耦的要求是，在实现解耦之后，不仅控制变量与被控变量之间可以进行一对一的独立控制，而且干扰与被控变量之间同样产生一对一的影响。对多变量耦合系统的解耦，目前，用得较多的有下述四种方法。 9.3. l 前馈补偿解耦法 前馈补偿解耦是多变量解耦控制中最早使用的一种解耦方法。该方法结构简单，易于实现，效果显著，因此得到了广泛应用。图9-13所示是一个带前馈补偿器的双变量全解耦系统。 如果要实现对Uc2与Y1、Uc1与Y2之间的解耦，根据前馈补偿原理可得 （9-31） （9-32） 因此，前馈补偿解耦器的传递函数为 （9-33） （9-34） 利用前馈补偿解耦还可以实现对扰动信号的解耦。如图9-14是控制器结合解耦环节的前馈补偿全解耦系统。 如果要实现对参考输入量R1(s)、R2(s)和输出量Y1(s)、Y2(s)之间的解耦则根据前馈补偿原理得 （9-39） （9-40） 故 （9-41） （9-42） 比较以上分析结果，不难看出，若对扰动量能实现前馈补偿全解耦，则参考输入与对象输出之间就不能实现解耦。因此，单独采用前馈补偿解耦一般不能同时实现对扰动量以及参考输入对输出的解耦。 例 9-4 已知双变量非全耦合系统如图 9-15所示。要求解耦后的闭环传递矩阵为 试求控制器结合解耦环节的参数。 9.3.2 反馈解耦法 反馈解耦设计是多变量系统解耦控制非常有效的方法。该方法的解耦器通常配置在反馈通道上，而不是配置在系统的前向通道上。反馈解耦方式只采用P规范解耦结构，但被控对象可以是P规范结构或V规范结构。图9-16和图9-17分别为双变量P规范对象和V规范对象的反