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1、单击此处编辑母版标题样式过程控制工程“Process Control Engineering”第五章先进控制系统（解耦控制）单击此处编辑母版标题样式本节目录CONTENS1系统关联分析和相对增益2解耦控制系统设计原则3减少与解除耦合的途径4解耦控制系统工程应用注意事项5解耦控制系统设计示例单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程控制系统的关联或耦合：当生产过程中的控制系统不只一个时，各个控制系统之间相互影响，称为控制系统的关联或耦合示例：流量、压力相互关联的控制系统压力y1低，经压力控制系统开大控制阀V1，这时，流量y2亦随之增大，而流量控制系统必须关小控
2、制阀V2，结果又使压力升高流量低，经流量控制阀V2，使其开度增加，p1随之减小，而压力控制系统必须开大控制阀V1，结果使流量进一步升高两个控制系统相互影响，同时运行时，不能正常运行1.系统关联分析和相对增益单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程控制系统框图：传递函数：除被控系统传递函数矩阵的主对角线元素外，其他项元素均为零，则被控系统没有关联。从静态看，如果其他项元素增益比主对角线元素增益小得多，则被控系统关联就弱1.系统关联分析和相对增益单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程开环增益和闭环增益：1.系统关联分析和
3、相对增益单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程相对增益：某通道输入uj对输出yi的开环增益与某通道输入uj对输出yi的闭环增益之比。它表示系统的关联程度。用 ij表示：MIMO控制系统的相对增益阵列为1.系统关联分析和相对增益单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程或表示为或表示为1.系统关联分析和相对增益单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程即：即：相对增益矩阵相对增益矩阵各元素是各元素是K矩阵矩阵和和C矩阵矩阵各自元素各自元素对应相乘对应相乘的结果的结果1.系统关联分析和相
4、对增益单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程1.系统关联分析和相对增益单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程相对增益阵列中，每行和每列元素之和为1相对增益阵列中所有元素为正时，称为正耦合。即主对角线元素之积0,，副对角线元素之积1，则根据每行或列元素之和为1，可知必存在负元素。双输入双输出系统中有一对ij=1，表示该系统不存在静态关联1.系统关联分析和相对增益单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程控制系统中，如某个ij接近1，则采用第j个控制输入uj控制第i个输出yi，可减小
5、系统关联某一个ij接近零，表示不宜用第j个控制输入uj控制第i个输出yi。用这样的输入和输出配对组成的控制方案是不可取的某一个ij在0.30.7之间或大于1.5时，说明该控制系统存在严重关联，必须用解耦控制系统设计方法去除耦合1.系统关联分析和相对增益单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程自治原则：多变量控制系统之间存在关联，因此，设计时应合适地对被控变量与操纵变量配对，使它们的相对增益尽量接近1解耦原则：当控制系统中各变量之间的关联严重时，需要选择合适的解耦控制方法协调跟踪原则：将控制系统分解为若干具有自治功能的控制系统，可以减小系统之间的关联，但并未
6、根本解决关联问题。为此，应对各个自治的控制系统进行协调，组成协调控制系统。例如，电站中汽轮机与锅炉之间的协调控制系统2.解耦控制系统设计原则单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程大型锅炉控制系统的变量配对：被控变量：产出的蒸汽压力P、蒸汽温度T、锅炉汽包水位L、炉膛负压Ps、过剩空气系数等，操纵变量：给水流量W、减温水喷水流量Ws、燃料流量Fu、送风空气流量Fa和引风量Ff系统关联最小的配对方案系统关联最小的配对方案2.解耦控制系统设计原则单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程被控变量和操纵变量之间正确匹配控制器参
7、数整定减少控制回路串接解耦装置模态控制：使各输出相互不影响，实现解耦控制多变量控制器解耦：用多变量控制器使实现对角线优势奇异值分解的解耦方法：增益矩阵进行奇异值分解，用分解得到的右奇异矢量组成的矩阵作为阀解耦器，用左奇异矢量组成矩阵的转置矩阵作为传感器解耦器，从而达到解耦目的3.减少与解除耦合的途径单击此处编辑母版标题样式方案方案1浓度控制器浓度控制器AC-11控制物料控制物料A的流量的流量FA总流量控制器总流量控制器FC-11控制物料控制物料B的流量的流量FB方案方案2浓度控制器浓度控制器AC-11控制物料控制物料B的流量的流量FB总流量控制器总流量控制器FC-11控制物料控制物料A的流量的
8、流量FA国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程混合槽系统混合槽系统的的变量配对变量配对被控变量被控变量：混合槽出口流量混合槽出口流量F和浓度和浓度C操纵变量操纵变量：物料物料A和和B的进料流量的进料流量FA和和FB如何选择变量的配对？如何选择变量的配对？3.减少与解除耦合的途径单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程混合槽系统混合槽系统的的变量配对，变量配对，具体情况具体分析具体情况具体分析假设物料假设物料A浓度浓度100%，物料，物料B浓度浓度0%混合液浓度混合液浓度75%控制要求：控制要求：计算：计算：因此，因此，；3.减少与解除耦合的
9、途径单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程混合槽系统混合槽系统的的变量配对，变量配对，具体情况具体分析具体情况具体分析假设物料假设物料A浓度浓度100%，物料，物料B浓度浓度0%混合液浓度混合液浓度75%控制要求：控制要求：计算：计算：因此，因此，；3.减少与解除耦合的途径单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程混合槽系统混合槽系统的的变量配对变量配对分析结果分析结果对物料对物料A浓度浓度100%，物料，物料B浓度浓度0%混合液浓度混合液浓度75%的混合控制系统应采用方案的混合控制系统应采用方案2混合过程控制系统的混
10、合过程控制系统的变量配对变量配对原则：原则：；l对对低浓度配料低浓度配料，应采用，应采用出口浓度控制器出口浓度控制器控制控制浓度高的物料流量浓度高的物料流量用出口总流量控用出口总流量控制器控制浓度低的物料流量制器控制浓度低的物料流量l对对高浓度配料高浓度配料，应采用，应采用出口浓度控制器出口浓度控制器控制控制浓度低的物料流量浓度低的物料流量用出口总流量控用出口总流量控制器控制浓度高的物料流量制器控制浓度高的物料流量3.减少与解除耦合的途径单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程通过调整控制器的参数，使控制系统的工作频率错开，使两个控制器的控制作用强弱不同将
11、控制器参数整定法推到极限，即次要控制回路的比例度取无穷大，则该控制回路不复存在，它对主要控制回路的关联也就消失。这也称为部分解耦；3.减少与解除耦合的途径单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程示例：；工艺对塔顶和塔底产品组分均有一定控制要求时，因控制系统的关联，在扰动较大时无法正常运行 减少控制回路，根据对产品组分的重要程度，确定取舍哪个控制回路，并增设系统关联较小的其他控制回路 如塔顶组成重要时，采用塔顶温度控制回路，而塔底则增设再沸器加热蒸汽流量定值控制系统3.减少与解除耦合的途径单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程
12、控制工程；3.减少与解除耦合的途径单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程；3.减少与解除耦合的途径示例：单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程；3.减少与解除耦合的途径多变量控制器解耦：采用多输入多输出控制系统的现代控制理论的设计方法，用多通道控制器（多变量控制器）实现控制系统的解耦。有Rosenbrock的逆Nequist阵列法，MacFarlane的多变量频域法，Ovens的多变量时域方法等。奇异值分解的解耦方法：采用对过程增益矩阵进行奇异值分解的解耦方法，过程增益矩阵奇异值分解后，用右奇异向量组成的矩阵作为执
13、行器解耦器，用左奇异向量组成矩阵的转置矩阵作为传感器的解耦器，从而达到结构的目的。单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程简单解耦时控制器输出的初始化：为实现控制器的无扰动切换，控制器需有初始值。即应满足：需要根据切换前的控制器输出u1和u2反算其初始值uc1和uc2设置偏置值：简单解耦控制实质是前馈补偿控制，应设置偏置值动态耦合的影响：与动态前馈补偿类似，动态耦合需要用动态相对增益分析；4.工程中的注意事项单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程解耦装置的简化：慢对象整定慢些，快对象整定快些，减少系统耦合影响建模中可
14、忽略时间常数小的项用超前滞后环节作为动态解耦装置的近似只采用静态解耦，不仅可简化解耦装置，而且实施容易；4.工程中的注意事项单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程；乙烯裂解炉有4组并联的炉管（图中仅画出一组），每组炉管对应8个烧嘴 炉体侧面墙砌成23层台阶，烧嘴安装在台阶上，其轴线与辐射管沿管长方向相平行，烧嘴火焰向下喷射 原料和稀释用蒸汽经对流段预热到590后，进入裂解炉辐射管，炉墙辐射热量使裂解原料发生反应，生成乙烯、乙烷、丙烯等5.解耦控制系统设计示例单击此处编辑母版标题样式国家级精品课程国家级精品课程-过程控制工程过程控制工程解耦控制系统：用一个主控制器TC，4个偏差控制器TXC，分别控制4路燃料量控制阀。控制阀的控制信号是主控制器输出U和偏差控制器输出U之和；出口温度T与控制阀信号U之间关系：T=A U已知各炉管出口温度已知各炉管出口温度Ti及基准温度及基准温度T的差的差Ti=T-Ti根据根据T=A U确定要消除该偏差所需的控制作用确定要消除该偏差所需的控制作用U=A-1T主控制器输出主控制器输出U U调整基准温度与设定温度的偏差调整基准温度与设定温度的偏差，进行粗调进行粗调偏差控制器消除各炉管出口温度与基准温度的偏差偏差控制器消除各炉管出口温度与基准温度的偏差，进行细调进行细调5.解耦控制系统设计示例