《過程控制工程》邵裕森主編（第2版）PPT課件

《過程控制工程》邵裕森主編（第2版）PPT課件,過程控制工程,過程,控制工程,邵裕森,主編,PPT,課件 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表華南理工大學自動化學院華南理工大學自動化學院 2014年年 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章考試范圍考試范圍:第第1章章 緒論緒論第第4章章 執(zhí)行器及安全柵（部分）執(zhí)行器及安全柵（部分）第第5章章 被控過程的數學模型被控過程的數學模型第第6章章 簡單控制系統(tǒng)的設計與參數整定簡單控制系統(tǒng)的設計與參數整定第第7章章 復雜控制系統(tǒng)復雜控制系統(tǒng)第第8章章 先進過程控制技術（部分）先進過程控制技術（部分）第第10章章 過程控制系統(tǒng)應用實例（部分）過程控制系統(tǒng)應用實例（部分）過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章第第1 1章章 緒論緒論過程控制的特點：過程控制的特點：連續(xù)生產過程的自動控制。連續(xù)生產過程的自動控制。過程控制系統(tǒng)的主要任務：過程控制系統(tǒng)的主要任務：四個環(huán)節(jié)：四個環(huán)節(jié)：給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象+e實測值實測值過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過程控制系統(tǒng)的分類過程控制系統(tǒng)的分類1.按設定值的形式分類按設定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng) 設定值恒定不變。設定值恒定不變。2）隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)設定值隨時可能變化。設定值隨時可能變化。3）程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)設定值按預定的時間程序變化。設定值按預定的時間程序變化。2.按系統(tǒng)的結構特點分類按系統(tǒng)的結構特點分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）3）復合控制系統(tǒng)復合控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過程控制系統(tǒng)的性能指標過程控制系統(tǒng)的性能指標根據工藝對控制的要求來制定的，概括為根據工藝對控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性穩(wěn)定性、準確性準確性和和快速性快速性。典型測試：給系統(tǒng)輸入一個階躍信號，觀察其階典型測試：給系統(tǒng)輸入一個階躍信號，觀察其階躍響應的品質。分給定階躍響應和干擾階躍響應兩類。躍響應的品質。分給定階躍響應和干擾階躍響應兩類。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章(a)干擾階躍響應干擾階躍響應t0y y(b)給定階躍響應給定階躍響應0ty y過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 系統(tǒng)階躍響應的單項性能指標系統(tǒng)階躍響應的單項性能指標 單項性能指標包含了對控制系統(tǒng)的單項性能指標包含了對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性、準準確性確性和和快速性快速性三方面的評價。三方面的評價。1）衰減比）衰減比n和衰減率和衰減率2）最大動態(tài)偏差）最大動態(tài)偏差A和超調量和超調量3）余差）余差C4）調節(jié)時間）調節(jié)時間Ts和振蕩頻率和振蕩頻率另外：還有峰值時間另外：還有峰值時間Tp（又稱上升時間）（又稱上升時間）過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章q穩(wěn)定性穩(wěn)定性 衰減比衰減比n=4:110:1最佳最佳 q準確性準確性 余差余差C小好小好 最大偏差最大偏差 A 小好小好q快速性快速性 過渡時間過渡時間 Ts 短好短好 振蕩周期振蕩周期 T 短好短好過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章系統(tǒng)階躍響應的綜合性能指標系統(tǒng)階躍響應的綜合性能指標偏差積分偏差積分偏差積分偏差積分IE絕對偏差積分絕對偏差積分IAE平方偏差積分平方偏差積分ISE時間與絕對偏差乘積積分時間與絕對偏差乘積積分ITAE過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章第第5 5章章 被控過程的數學模型被控過程的數學模型建立被控過程數學模型的基本方法建立被控過程數學模型的基本方法q機機理理法法：根根據據生生產產過過程程的的內內部部機機理理，列列寫寫出出有有關的平衡方程，從而獲取對象的數學模型。關的平衡方程，從而獲取對象的數學模型。q測測試試法法：通通過過實實驗驗測測試試，來來識識別別對對象象的的數數學學模模型。型。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章考點：水槽機理法建?？键c：水槽機理法建模步驟：步驟：（1）弄清楚對象的輸入量、輸出量）弄清楚對象的輸入量、輸出量（2）根據物料平衡方程、閥門特性列寫微分方）根據物料平衡方程、閥門特性列寫微分方程組，增量化處理程組，增量化處理（3）畫出系統(tǒng)框圖要求）畫出系統(tǒng)框圖要求（4）寫出最后的傳遞函數）寫出最后的傳遞函數過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章被控過程的自衡與非自衡特性被控過程的自衡與非自衡特性考點注意：考點注意：同同樣樣的的單單容容水水槽槽如如果果出出水水用用泵泵抽抽出出，則則成成為為無無自自衡衡特性。特性。具有純滯后的液位過程。具有純滯后的液位過程。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章階躍響應曲線法建模階躍響應曲線法建模給給對對象象輸輸入入一一階階躍躍信信號號或或方方波波信信號號測測其其輸輸出出響響應。應。1階躍響應曲線的直接測定階躍響應曲線的直接測定11tthKT過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章矩形脈沖法測定被控過程的階躍響應曲線矩形脈沖法測定被控過程的階躍響應曲線過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章由階躍響應曲線確定被控過程傳遞函數由階躍響應曲線確定被控過程傳遞函數 大多數工業(yè)對象的特性可大多數工業(yè)對象的特性可以用具有純滯后的一階或二階以用具有純滯后的一階或二階慣性環(huán)節(jié)來近似描述：慣性環(huán)節(jié)來近似描述：1 xtt y0ty00過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 對于少數無自衡特性的對象，可用帶滯后的積對于少數無自衡特性的對象，可用帶滯后的積分特性近似描述：分特性近似描述：xtt y0ty00 由對象的階躍響應曲線基由對象的階躍響應曲線基本可以辨識對象的特性模型結本可以辨識對象的特性模型結構和特性參數。構和特性參數。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章基本概念基本概念1.簡單控制系統(tǒng)的結構與組成簡單控制系統(tǒng)的結構與組成指指由由一一個個測測量量變變送送器器、一一個個控控制制器器、一一個個控控制制閥和一個對象所構成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)閥和一個對象所構成的單閉環(huán)控制系統(tǒng) 2.生生產產過過程程對對過過程程控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的要要求求可可簡簡要要歸納為安全性、穩(wěn)定性和經濟性三個方面。歸納為安全性、穩(wěn)定性和經濟性三個方面。不要與性能指標的穩(wěn)、準、快混淆。不要與性能指標的穩(wěn)、準、快混淆。3.被控參數與控制變量的選擇被控參數與控制變量的選擇 見書上見書上 第第6章章 簡單控制系統(tǒng)的設計與參數整定簡單控制系統(tǒng)的設計與參數整定過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章特特別強調：控制通道控制通道時間常數常數T0的大小反映了控制作用的的大小反映了控制作用的強弱，反映了控制器的校正作用克服弱，反映了控制器的校正作用克服擾動對被控參被控參數影響的快慢。數影響的快慢。若若T0太大太大，控制作用太弱，被控參數，控制作用太弱，被控參數變化化緩慢，慢，控制不及控制不及時，系，系統(tǒng)過渡渡時間長，控制，控制質量下降。量下降。若若T0太小太小，易引起系，易引起系統(tǒng)振振蕩，使系，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。定性下降。所以，所以，T0應適當小一點。適當小一點。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章執(zhí)行器的行器的選擇概念概念執(zhí)行器行器組成：成：執(zhí)行機構和行機構和調節(jié)機構機構，調節(jié)機構就是機構就是閥門根據根據執(zhí)行機構所使用能源的不同，行機構所使用能源的不同，執(zhí)行器行器可以分可以分為氣氣動、電動、液、液動三大三大類。氣氣動執(zhí)行器接受行器接受0.21051.0105a的的標準氣準氣壓信號信號過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章控制控制閥的流量特性：指介的流量特性：指介質流流過控制控制閥閥門的相的相對流量與相流量與相對開度之開度之間的關系。的關系。理想流量特性理想流量特性直直線流量特性流量特性 對數（等百分比）流量特性數（等百分比）流量特性拋物拋物線流量特性流量特性 快開流量特性快開流量特性工作流量特性工作流量特性實際應用中，理想流量特性會因控制用中，理想流量特性會因控制閥前后前后壓差遭差遭受阻力受阻力損失而畸失而畸變成工作流量特性。成工作流量特性。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 調節(jié)閥的選擇調節(jié)閥的選擇 1調節(jié)閥工作區(qū)間的選擇調節(jié)閥工作區(qū)間的選擇 正常工況下，調節(jié)閥的開度應在正常工況下，調節(jié)閥的開度應在15%85%區(qū)區(qū)間。據此原則計算、確定控制閥的口徑尺寸。間。據此原則計算、確定控制閥的口徑尺寸。2調節(jié)閥的流量特性選擇調節(jié)閥的流量特性選擇首先按照過程控制系統(tǒng)的要求，確定工作流量特性，首先按照過程控制系統(tǒng)的要求，確定工作流量特性，再根據流量特性曲線的畸變程度以及工藝要求和工再根據流量特性曲線的畸變程度以及工藝要求和工藝配管情況，確定理想流量特性。藝配管情況，確定理想流量特性。3 調節(jié)閥的氣開、氣關作用方式選擇調節(jié)閥的氣開、氣關作用方式選擇（必須掌握）（必須掌握）過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章調節(jié)器正反作用的選擇調節(jié)器正反作用的選擇為為了了保保證證負負反反饋饋，必必須須正正確確選選擇擇調調節(jié)節(jié)器器的的正正反反作用。作用。給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象操作量操作量被控變量被控變量干擾干擾過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章為了說明選擇方法，先定義作用方向：為了說明選擇方法，先定義作用方向：當當某某個個環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的輸輸入入增增加加時時，其其輸輸出出也也增增加加，稱稱該該環(huán)節(jié)為環(huán)節(jié)為“正作用正作用”；反之，稱為；反之，稱為“反作用反作用”。按此按此定義：定義：q變送器都是正作用變送器都是正作用q氣開閥是正作用，氣關閥是反作用氣開閥是正作用，氣關閥是反作用q被控對象有的正作用，有的反作用被控對象有的正作用，有的反作用q控制器作用方向以測量輸入與輸出的關系定義：控制器作用方向以測量輸入與輸出的關系定義：正作用：測量值正作用：測量值給定值給定值反作用：給定值反作用：給定值測量值測量值 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 調節(jié)器正反作用的確定原調節(jié)器正反作用的確定原則：則：保證系統(tǒng)構成負反饋保證系統(tǒng)構成負反饋 簡單的判定方法：簡單的判定方法：閉合回閉合回路中有奇數個反作用環(huán)節(jié)。路中有奇數個反作用環(huán)節(jié)。偏差偏差控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象變送器變送器給定值給定值被調參數被調參數干擾干擾測測量量值值反作用反作用正作用正作用正作用正作用正作用正作用過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章調節(jié)規(guī)律調節(jié)規(guī)律調節(jié)調節(jié)器的器的調節(jié)規(guī)律調節(jié)規(guī)律，即它的輸出量與輸入量（偏差值），即它的輸出量與輸入量（偏差值）之間的函數關系。之間的函數關系。調節(jié)調節(jié)器的作用是根據偏差，按規(guī)定的器的作用是根據偏差，按規(guī)定的調節(jié)規(guī)律調節(jié)規(guī)律產產生輸出信號，推動執(zhí)行機構，對生產過程進行調節(jié)。生輸出信號，推動執(zhí)行機構，對生產過程進行調節(jié)。比例、積分、微分三種調節(jié)規(guī)律比例、積分、微分三種調節(jié)規(guī)律過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章將將比比例例、積積分分、微微分分三三種種調調節(jié)節(jié)規(guī)規(guī)律律結結合合在在一一起起，只只要要三三項項作作用用的的強強度度配配合合適適當當，既既能能快快速速調調節(jié)節(jié)，又又能能消消除除余余差差，可可得得到到滿滿意意的的控控制制效效果果。在在PID調調節(jié)節(jié)中中，比比例例作作用用是是基基礎礎；微微分分作作用用可可以以加加快快系系統(tǒng)統(tǒng)控控制制速度，減小超調；積分作用可以消除靜差。速度，減小超調；積分作用可以消除靜差。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章調節(jié)規(guī)律律優(yōu) 點點缺缺 點點應 用用P靈靈敏敏、簡單，只只有有一一個整定參數；個整定參數；存在靜差存在靜差負荷荷變化化不不顯著著，工工藝指指標要要求不高的求不高的對象。象。PI能能消消除除靜靜差差，又又控控制制靈敏靈敏對于于滯滯后后較大大的的對象象，比比例例積分分調節(jié)太太慢慢，效效果不好。果不好。應用用于于調節(jié)通通道道容容量量滯滯后后較小小、負荷荷變化化不不大大、精精度度要要求求高高的的調節(jié)系系統(tǒng)。例例如如，流流量量調節(jié)系系統(tǒng)。PD增增進調節(jié)系系統(tǒng)的的穩(wěn)定定度度，可可調小小比比例例度度，而而加加快快調節(jié)過程程，減減小小動態(tài)偏差和靜差偏差和靜差系系統(tǒng)對高高頻干干擾特特別敏敏感感，系系統(tǒng)輸出出易易夾雜高高頻干干擾。應用用于于調節(jié)通通道道容容量量滯滯后后較大大，但但調節(jié)精度要求不高的精度要求不高的對象。象。PID綜合合了了各各類調節(jié)作作用用的的優(yōu)點點，所所以以有有更更高高的的調節(jié)質量。量。對于于滯滯后后很很大大，負荷荷變化化很很大大的的對象象，PID調節(jié)也也無無法法滿足足要要求求，應設計復復雜調節(jié)系系統(tǒng)應用用于于調節(jié)通通道道容容量量滯滯后后較大大、負荷荷變化化較大大、精精度度要要求求高高的的對象。象。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章（1）穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）閉環(huán)整定方法，根據純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗所得數據閉環(huán)整定方法，根據純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗所得數據（臨界比例度（臨界比例度Pm和振蕩周期和振蕩周期Tm），按經驗公式求出調節(jié)器的），按經驗公式求出調節(jié)器的整定參數。整定參數。（2）衰減曲線法）衰減曲線法閉環(huán)整定方法，但不需要尋找等幅振蕩狀態(tài)，只需尋找最佳衰閉環(huán)整定方法，但不需要尋找等幅振蕩狀態(tài)，只需尋找最佳衰減振蕩狀態(tài)即可。減振蕩狀態(tài)即可。（3）響應曲線法（）響應曲線法（開環(huán)整定方法）開環(huán)整定方法）（4）經驗法）經驗法 憑經驗湊試。憑經驗湊試。其關鍵是其關鍵是“看曲線，調參數看曲線，調參數”。調節(jié)器參數的工程整定方法調節(jié)器參數的工程整定方法過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章重點：響應曲線法重點：響應曲線法屬屬于于開開環(huán)環(huán)整整定定方方法法。以以被被控控對對象象控控制制通通道道的的階階躍躍響響應應為為依依據據，通通過過經經驗驗公公式式求求取取調調節(jié)節(jié)器器的的最最佳佳參參數數整定值。整定值。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲線。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲線。給定值給定值測量變送器測量變送器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器對象對象被控變量被控變量過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章根根據據實實驗驗所所得得響響應應曲曲線線，找找出出廣廣義義對對象象的的特特性性參參數數K0、T0、0，用表，用表6-4的經驗公式求整定參數。的經驗公式求整定參數。T00此方法在不加控制作用的狀態(tài)下進行，對于不允此方法在不加控制作用的狀態(tài)下進行，對于不允許工藝失控的生產過程，不能使用。許工藝失控的生產過程，不能使用。表表6.4 響應曲線法整定參數的公式響應曲線法整定參數的公式0.5020PID3.30PIPTdTiP（%）整定參數整定參數調節(jié)規(guī)調節(jié)規(guī)律律過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章幾種整定方法的比較幾種整定方法的比較整定方法整定方法優(yōu) 點點缺缺 點點響響應曲曲線法法方法簡單方法簡單系系統(tǒng)統(tǒng)開開環(huán)環(huán)，被被調調量量變變化化較大，影響生產較大，影響生產穩(wěn)定定邊界法界法系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)會出現(xiàn)被調量等幅振蕩會出現(xiàn)被調量等幅振蕩衰減曲衰減曲線法法系統(tǒng)閉環(huán)，安全系統(tǒng)閉環(huán)，安全實驗費時實驗費時經驗法法系統(tǒng)閉環(huán)，不需計算系統(tǒng)閉環(huán)，不需計算需要經驗需要經驗過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)當當對對象象的的滯滯后后較較大大，干干擾擾比比較較劇劇烈烈、頻頻繁繁時時，采采用用簡簡單單控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)往往往往控控制制質質量量較較差差，滿滿足足不不了了工工藝上的要求，這時可考慮采用串級控制系統(tǒng)。藝上的要求，這時可考慮采用串級控制系統(tǒng)。第第 7 7 章章 復雜控制系統(tǒng)復雜控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章爐膛溫度爐膛溫度變化變化T2T、T2C回路先改變燃料量回路先改變燃料量T1T、T1C回路再改回路再改變燃料量變燃料量出料溫度出料溫度變化變化解決措施解決措施：在影響出口溫度的通道：在影響出口溫度的通道中，加測爐膛溫度的變化，提前控制。中，加測爐膛溫度的變化，提前控制。燃料壓力燃料壓力變化變化3min原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章系統(tǒng)框圖（注意規(guī)范，寫出每一個環(huán)節(jié)）系統(tǒng)框圖（注意規(guī)范，寫出每一個環(huán)節(jié)）主控制器調節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)2(t)1(t)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章串級系統(tǒng)特點總結：串級系統(tǒng)特點總結：對進入副回路的干擾有很強的克服能力；對進入副回路的干擾有很強的克服能力；改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對進入主回路的干擾控制效果也有改善；作頻率；對進入主回路的干擾控制效果也有改善；對負荷或操作條件的變化有一定自適應能力。對負荷或操作條件的變化有一定自適應能力。調節(jié)效果比較調節(jié)效果比較串級控制串級控制單回路控制單回路控制ty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章重點重點：選擇串級系統(tǒng)的副變量，遵循下面幾個：選擇串級系統(tǒng)的副變量，遵循下面幾個原則：原則：主、副變量有對應關系主、副變量有對應關系副參數的選擇必須使副回路包含變化劇烈的副參數的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干擾主要干擾，并盡可能多包含一些干擾副參數的選擇應考慮主、副回路中控制過程副參數的選擇應考慮主、副回路中控制過程的時間常數的匹配，以防的時間常數的匹配，以防“共振共振”的發(fā)生的發(fā)生應注意工藝上的合理性和經濟性應注意工藝上的合理性和經濟性過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章主、副調節(jié)器調節(jié)規(guī)律的選擇主、副調節(jié)器調節(jié)規(guī)律的選擇主調節(jié)器通常選用主調節(jié)器通常選用PI調節(jié)，或調節(jié)，或PID調節(jié)。調節(jié)。副調節(jié)器一般選副調節(jié)器一般選P調節(jié)就可以了。調節(jié)就可以了。主、副調節(jié)器正、反作用方式的確定主、副調節(jié)器正、反作用方式的確定1、根據工藝安全、節(jié)能要求確定調節(jié)閥的正、反作、根據工藝安全、節(jié)能要求確定調節(jié)閥的正、反作用；用；2、按照副回路構成負反饋的原則確定副調節(jié)器的正、按照副回路構成負反饋的原則確定副調節(jié)器的正、反作用；反作用；3、依據主回路構成負反饋的原則，確定主調節(jié)器的、依據主回路構成負反饋的原則，確定主調節(jié)器的正、反作用。正、反作用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章舉例：舉例：1、從生產工藝安全出發(fā)，燃料油調節(jié)閥選用氣開式、從生產工藝安全出發(fā)，燃料油調節(jié)閥選用氣開式（正作用）。一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調節(jié)閥應關（正作用）。一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調節(jié)閥應關閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安全。閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安全。原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章2、副回路中，調節(jié)閥開大，爐膛溫度升高，測量、副回路中，調節(jié)閥開大，爐膛溫度升高，測量信號增大，說明副對象和變送器都是正作用。為保證信號增大，說明副對象和變送器都是正作用。為保證副回路為負反饋，副調節(jié)器應為反作用方式。副回路為負反饋，副調節(jié)器應為反作用方式。原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料 T1C T1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐 T2C T2T過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章前饋控制前饋控制原理：當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，立即將其測量出來，原理：當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，立即將其測量出來，通過前饋控制器，根據擾動量的大小改變控制變量，通過前饋控制器，根據擾動量的大小改變控制變量，以抵消擾動對被控參數的影響。以抵消擾動對被控參數的影響。補償原理：不變性原理補償原理：不變性原理如如果果補補償償量量和和干干擾擾量量以以同同樣樣的的大大小小和和速速度度作作用用于被控變量，且作用方向相反的話，被控變量不變。于被控變量，且作用方向相反的話，被控變量不變。Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s)=0過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章q前饋控制的特點：前饋控制的特點：前饋控制器是按是按照干擾的大小進行控制前饋控制器是按是按照干擾的大小進行控制的，的，稱為稱為“擾動補償擾動補償”。如果補償精確，被調變量。如果補償精確，被調變量不會變化，能實現(xiàn)不會變化，能實現(xiàn)“不變性不變性”控制?？刂?。前饋控制是開環(huán)控制，控制作用幾乎與干擾前饋控制是開環(huán)控制，控制作用幾乎與干擾同步產生，是事先調節(jié)，速度快。同步產生，是事先調節(jié)，速度快。前饋控制器的控制規(guī)律不是前饋控制器的控制規(guī)律不是PID控制，是由對控制，是由對象特性決定的。象特性決定的。前饋控制只對特定的干擾有控制作用，對其前饋控制只對特定的干擾有控制作用，對其它干擾無效。它干擾無效。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章前饋控制的局限性前饋控制的局限性實際工業(yè)過程中的干擾很多，不可能對每個實際工業(yè)過程中的干擾很多，不可能對每個干擾設計一套控制系統(tǒng)，況且有的干擾的在線檢測干擾設計一套控制系統(tǒng)，況且有的干擾的在線檢測非常困難。非常困難。前饋控制器的補償控制規(guī)律很難精確計算，前饋控制器的補償控制規(guī)律很難精確計算，即使前饋控制器設計的非常精確，即使前饋控制器設計的非常精確，實現(xiàn)時也會存在實現(xiàn)時也會存在誤差，而開環(huán)系統(tǒng)對誤差無法自我糾正。誤差，而開環(huán)系統(tǒng)對誤差無法自我糾正。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章前饋控制系統(tǒng)的結構前饋控制系統(tǒng)的結構前饋控制的結構有靜態(tài)補償和動態(tài)補償。前饋控制的結構有靜態(tài)補償和動態(tài)補償。1靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)（S=0時）時）2動態(tài)前饋控制系統(tǒng)動態(tài)前饋控制系統(tǒng)完全按照補償控制規(guī)律制作控制器。完全按照補償控制規(guī)律制作控制器。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章前饋前饋反饋復合控制系統(tǒng)反饋復合控制系統(tǒng)為了克服前饋控制的局限性，將前饋控制和反饋為了克服前饋控制的局限性，將前饋控制和反饋控制結合起來，組成前饋控制結合起來，組成前饋反饋復合控制系統(tǒng)。反饋復合控制系統(tǒng)。v如換熱器出口溫度前饋如換熱器出口溫度前饋反饋復合控制系統(tǒng)。反饋復合控制系統(tǒng)。TTTCM蒸汽蒸汽換熱器換熱器冷物料冷物料入口入口熱物料熱物料出口出口冷凝水冷凝水FTFB過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章復合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：復合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：在反饋控制的基礎上，針對主要干擾進行前饋補在反饋控制的基礎上，針對主要干擾進行前饋補償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。反饋控制回路的存在，降低了對前饋控制器的精反饋控制回路的存在，降低了對前饋控制器的精度要求，有利于簡化前饋控制器的設計和實現(xiàn)。度要求，有利于簡化前饋控制器的設計和實現(xiàn)。在單純的反饋控制系統(tǒng)中，提高控制精度與系統(tǒng)在單純的反饋控制系統(tǒng)中，提高控制精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性是一對矛盾。往往為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性而無法穩(wěn)定性是一對矛盾。往往為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性而無法實現(xiàn)高精度的控制。而前饋實現(xiàn)高精度的控制。而前饋反饋控制系統(tǒng)既可實反饋控制系統(tǒng)既可實現(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行?，F(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章前饋前饋串級復合控制系統(tǒng)串級復合控制系統(tǒng)對于慢過程的控制，如果生產過程中的主要干擾對于慢過程的控制，如果生產過程中的主要干擾頻繁而又劇烈，而工藝對被控參量的控制精度要求又頻繁而又劇烈，而工藝對被控參量的控制精度要求又很高，可以考慮采用前饋很高，可以考慮采用前饋串級復合控制方案。串級復合控制方案。Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go1(s)Y(s)Gm2(s)Gc1(s)X(s)Gc2(s)Go2(s)Gm1(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章前饋控制的應用場合前饋控制的應用場合（1 1）某某個個干干擾擾幅幅值值大大而而頻頻繁繁，對對被被控控變變量量影影響劇烈，而對象的控制通道滯后大。響劇烈，而對象的控制通道滯后大。（2 2）采采用用單單純純的的反反饋饋控控制制，控控制制速速度度慢慢、質質量差。量差。（3 3）用串級控制，效果改善不明顯。）用串級控制，效果改善不明顯。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章大滯后過程控制系統(tǒng)大滯后過程控制系統(tǒng)在工業(yè)生產中，控制通道往往不同程度地存在著在工業(yè)生產中，控制通道往往不同程度地存在著純滯后。一般將純滯后時間純滯后。一般將純滯后時間0與時間常數與時間常數T之比大于之比大于0.3（0/T0.3）的過程稱之為大滯后過程。）的過程稱之為大滯后過程。大滯后過程的大滯后過程的Simth預估補償控制預估補償控制Simth預估補償控制是按照對象特性，設計一個預估補償控制是按照對象特性，設計一個模型加入到反饋控制系統(tǒng)，提早估計出對象在擾動模型加入到反饋控制系統(tǒng)，提早估計出對象在擾動作用下的動態(tài)響應，提早進行補償，使控制器提前作用下的動態(tài)響應，提早進行補償，使控制器提前動作，從而降低超調量，并加速調節(jié)過程。動作，從而降低超調量，并加速調節(jié)過程。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-oSoS_ _U(s)+F(s)Gb(s)+Y(s)得：得：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-oSoS_ _U(s)+F(s)Go(s)+Y(s)e-oSoS_ _Smith預估補償系統(tǒng)對補償模型的誤差十分敏感，預估補償系統(tǒng)對補償模型的誤差十分敏感，補償效果取決于補償器模型的精度。補償效果取決于補償器模型的精度。Gb(s)=G0(s)(1-e-oS)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)定定義義：實實現(xiàn)現(xiàn)兩兩個個或或多多個個參參數數符符合合一一定定比比例例關關系系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。例如要實現(xiàn)兩種物料的比例關系，則表示為：例如要實現(xiàn)兩種物料的比例關系，則表示為：Q2=K Q1 其中：其中：K比值系數；比值系數；Q1主流量；主流量；Q2副副流量流量。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章比值控制系統(tǒng)的種類比值控制系統(tǒng)的種類 1.開環(huán)比值控制系統(tǒng)開環(huán)比值控制系統(tǒng)FTFCQ1Q22.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)F1TQ1Q2 KF2TF2C過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章3.雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) qQ1是主流量，是主流量，Q2是副是副流量。兩個流量都可控，流量。兩個流量都可控，因此總流量穩(wěn)定。因此總流量穩(wěn)定。F1TQ1Q2F1CF2TF2CK4變比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng)在有些生產過程中，要求兩種物料流量的比值隨在有些生產過程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個工藝參數的需要而變化，為滿足這種工藝的要第三個工藝參數的需要而變化，為滿足這種工藝的要求，就出現(xiàn)了變比值控制系統(tǒng)。求，就出現(xiàn)了變比值控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章圖圖7.23 變比值控制系統(tǒng)框圖變比值控制系統(tǒng)框圖Gc2(s)Y(s)+Gv2(s)G02(s)G0(s)Gc1(s)X(s)Gm(s)Q1(s)Q2(s)Gm2(s)Gm1(s)+KKr_ _ _應當注意，在變比值控制系統(tǒng)中，流量比值只應當注意，在變比值控制系統(tǒng)中，流量比值只是一種控制手段，不是最終目的，而第三參數（如是一種控制手段，不是最終目的，而第三參數（如本例中溫度）往往是主要被控參數。本例中溫度）往往是主要被控參數。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章比值控制系統(tǒng)的設計與參數整定比值控制系統(tǒng)的設計與參數整定 1比值控制系統(tǒng)設計比值控制系統(tǒng)設計1）主流量、副流量的確定原則：）主流量、副流量的確定原則：生產中起主導作用的物料流量，一般選為主流生產中起主導作用的物料流量，一般選為主流量，其余的物料流量跟隨其變化，為副流量。量，其余的物料流量跟隨其變化，為副流量。工藝上不可控的物料流量，一般選為主流量。工藝上不可控的物料流量，一般選為主流量。成本較昂貴的物料流量一般選為主流量。成本較昂貴的物料流量一般選為主流量。當生產工藝有特殊要求時，主、副物料流量的當生產工藝有特殊要求時，主、副物料流量的確定應服從工藝需要。確定應服從工藝需要。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章2）控制方案的選擇）控制方案的選擇控制方案選擇應根據不同的生產要求確定，同時控制方案選擇應根據不同的生產要求確定，同時兼顧經濟性原則。兼顧經濟性原則。如果工藝上僅要求兩物料流量之比值一定，而如果工藝上僅要求兩物料流量之比值一定，而對總流量無要求，可用單閉環(huán)比值控制方案。對總流量無要求，可用單閉環(huán)比值控制方案。如果主、副流量的擾動頻繁，而工藝要求主、如果主、副流量的擾動頻繁，而工藝要求主、副物料總流量恒定的生產過程，可用雙閉環(huán)比值控制副物料總流量恒定的生產過程，可用雙閉環(huán)比值控制方案。方案。當生產工藝要求兩種物料流量的比值要隨著第當生產工藝要求兩種物料流量的比值要隨著第三參數的需要進行調節(jié)時，可用變比值控制方案。三參數的需要進行調節(jié)時，可用變比值控制方案。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章3）調節(jié)器控制規(guī)律的確定）調節(jié)器控制規(guī)律的確定比值控制系統(tǒng)中，調節(jié)器的控制規(guī)律是根據控制比值控制系統(tǒng)中，調節(jié)器的控制規(guī)律是根據控制方案和控制要求而定。方案和控制要求而定。F1TQ1Q2 KF2TF2C在單閉環(huán)比值控制系在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中，比值器統(tǒng)中，比值器K起比值計起比值計算作用，若用調節(jié)器實現(xiàn)，算作用，若用調節(jié)器實現(xiàn)，則選則選P調節(jié)；調節(jié)器調節(jié)；調節(jié)器F2C使副流量穩(wěn)定，為保證控使副流量穩(wěn)定，為保證控制精度可選制精度可選PI調節(jié)。調節(jié)。PPI過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章雙閉環(huán)比值控制不僅雙閉環(huán)比值控制不僅要求兩流量保持恒定的比要求兩流量保持恒定的比值關系，而且主、副流量值關系，而且主、副流量均要實現(xiàn)定值控制，所以均要實現(xiàn)定值控制，所以兩個調節(jié)器均應選兩個調節(jié)器均應選PI調節(jié)；調節(jié)；比值器選比值器選P調節(jié)。調節(jié)。F1TQ1Q2F1CF2TF2CKPIPIP過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章5）比值系數的計算）比值系數的計算流量比值流量比值K根據儀表的量程轉換成儀表的比值系根據儀表的量程轉換成儀表的比值系數數K（l）流量與測量信號之間成線性關系）流量與測量信號之間成線性關系（2）流量與測量信號之間成非線性關系）流量與測量信號之間成非線性關系過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1）比值系數的實現(xiàn)）比值系數的實現(xiàn)比值系統(tǒng)的實現(xiàn)有相乘和相除二種方法。比值系統(tǒng)的實現(xiàn)有相乘和相除二種方法。2）比值控制系統(tǒng)的參數整定）比值控制系統(tǒng)的參數整定比值系統(tǒng)的主流量回路，可按單回路控制系統(tǒng)進比值系統(tǒng)的主流量回路，可按單回路控制系統(tǒng)進行整定；比值系統(tǒng)的副流量整定為振蕩與不振蕩的邊行整定；比值系統(tǒng)的副流量整定為振蕩與不振蕩的邊界為佳，即過渡過程既不振蕩而反應又快。界為佳，即過渡過程既不振蕩而反應又快。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.8.2 相對增益相對增益對于一個具有對于一個具有N個被控變量和個被控變量和N個控制變量的過程，個控制變量的過程，可以有可以有N！種不同構成方式來組成！種不同構成方式來組成N！個不同的控制方！個不同的控制方案，分析全部案，分析全部N！個控制方案中系統(tǒng)間的關聯(lián)，可以！個控制方案中系統(tǒng)間的關聯(lián)，可以選出關聯(lián)最小的控制方案。相對增益是描述耦合程度選出關聯(lián)最小的控制方案。相對增益是描述耦合程度的一種方法。的一種方法。一、相對增益的定義一、相對增益的定義第一放大系數第一放大系數：在相互耦合的控制回路中，使其他：在相互耦合的控制回路中，使其他各控制量各控制量 都保持不變，即其他都保持不變，即其他通道開路（不控制），只改變所考慮的那個控制量通道開路（不控制），只改變所考慮的那個控制量 即改變控制量即改變控制量 ，一個，一個 時所得到時所得到 的變化量的變化量與與 改變量之比，稱為改變量之比，稱為 到到 通道的第一放大通道的第一放大過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章系數，即系數，即第二放大系數第二放大系數：其他被控量保持不變，即其他回路：其他被控量保持不變，即其他回路閉合，只改變所要考慮的那個被控量閉合，只改變所要考慮的那個被控量 ，控制量，控制量對被控量對被控量 的開環(huán)增益的開環(huán)增益過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章和和 間的相對增益間的相對增益 為為這是布里斯托兒這是布里斯托兒(Bristol)首先提出的相對增益的概念。首先提出的相對增益的概念。它能揭示多變量耦合系統(tǒng)的內部關系，可以確定變量它能揭示多變量耦合系統(tǒng)的內部關系，可以確定變量間的配對選擇，判斷該系統(tǒng)是否需要解耦。間的配對選擇，判斷該系統(tǒng)是否需要解耦。這樣可以求得相對增益矩陣這樣可以求得相對增益矩陣過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章二、相對增益的計算二、相對增益的計算穩(wěn)態(tài)方程:式中：式中：表示第表示第 個被控量相對于第個被控量相對于第 個控制量個控制量的靜態(tài)增益。的靜態(tài)增益。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章同理可得：同理可得：對于高階多變量系統(tǒng)對于高階多變量系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章其中其中det K 是矩陣是矩陣K 的行列式；的行列式；Kij是矩陣是矩陣K 的代數余子式的代數余子式。相對增益的性質：相對增益的性質：相對增益矩陣中每行或每列的總和均為相對增益矩陣中每行或每列的總和均為1；過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章l對于22系統(tǒng)，當kij為正的個數是奇數時，所有的相對增益都在01之間，稱為正耦合；l當kij為正的個數是偶數時，存在相對增益小于0，稱為負耦合。相對增益的物理意義：相對增益的物理意義：在這種情況下，穩(wěn)態(tài)增益的符號隨著其它回路狀態(tài)的改變（開環(huán)、閉環(huán)）而不同過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章在這種情況下，當其它回路都開環(huán)時，穩(wěn)態(tài)增益為0。在這種情況下，其它回路閉環(huán)時的穩(wěn)態(tài)增益比開環(huán)時要大。在這種情況下，其它回路的開環(huán)與在這種情況下，其它回路的開環(huán)與閉環(huán)對穩(wěn)態(tài)增益的大小沒有影響閉環(huán)對穩(wěn)態(tài)增益的大小沒有影響。是否表示回路間沒有關連？過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章在這種情況下，其它回路開環(huán)時的穩(wěn)態(tài)增益比閉環(huán)時要大。在這種情況下，其它回路閉環(huán)時的穩(wěn)在這種情況下，其它回路閉環(huán)時的穩(wěn)態(tài)增益為態(tài)增益為0。無法進行多回路控制。無法進行多回路控制過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章三、變量配對：三、變量配對：l不能選擇 的變量配對l不能選擇 的變量配對l不能選擇 的變量配對l應該選擇 最接近1的變量配對過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章變量配對舉例（調和過程）：變量配對舉例（調和過程）：是非線性系統(tǒng)！過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章1.計算靜態(tài)增益計算靜態(tài)增益：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章2.計算一個相對增益：計算一個相對增益：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章3.構造相對增益矩陣：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章假設：穩(wěn)態(tài)工作點(Q10,Q20,Q0,C0)；C1 C0 C2過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章l經合適輸入輸出變量配對后，若關聯(lián)不大，經合適輸入輸出變量配對后，若關聯(lián)不大，則可采用常規(guī)的多個單回路則可采用常規(guī)的多個單回路PID控制；控制；l盡管系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關聯(lián)嚴重，但主要控制通道動盡管系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關聯(lián)嚴重，但主要控制通道動態(tài)特性相差較大，則可通過調整態(tài)特性相差較大，則可通過調整PID參數，參數，使各回路的工作頻率拉開；使各回路的工作頻率拉開；l若系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關聯(lián)嚴重，而且動態(tài)特性相近，若系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關聯(lián)嚴重，而且動態(tài)特性相近，則需要進行解耦設計。則需要進行解耦設計。多變量控制系統(tǒng)設計多變量控制系統(tǒng)設計過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.8.3解耦控制系統(tǒng)設計解耦控制系統(tǒng)設計一、解耦條件一、解耦條件由下圖可知由下圖可知令令可得到可得到過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章對于多輸入多輸出的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)解耦的條件是：對于多輸入多輸出的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)解耦的條件是：系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞矩陣必須是一個對角線矩陣系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞矩陣必須是一個對角線矩陣，即，即閉環(huán)系統(tǒng)解耦時的閉環(huán)傳遞矩陣閉環(huán)系統(tǒng)解耦時的閉環(huán)傳遞矩陣 是一個對角線是一個對角線矩陣，因此矩陣，因此 也是對角線矩陣，所以解耦系統(tǒng)也是對角線矩陣，所以解耦系統(tǒng)的開環(huán)傳遞矩陣的開環(huán)傳遞矩陣 也必須是對角線矩陣。也必須是對角線矩陣。為了實現(xiàn)解耦，必須在多變量控制系統(tǒng)中引入解耦裝為了實現(xiàn)解耦，必須在多變量控制系統(tǒng)中引入解耦裝置，此時多變量解耦控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞矩陣置，此時多變量解耦控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞矩陣式中式中 表示解耦系統(tǒng)的開環(huán)傳遞矩陣表示解耦系統(tǒng)的開環(huán)傳遞矩陣 表示解耦裝置矩陣表示解耦裝置矩陣過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章控制器傳遞矩陣控制器傳遞矩陣 為對角線矩陣，因此，要為對角線矩陣，因此，要使使 為對角線矩陣，只要為對角線矩陣，只要 與與 的乘積的乘積為對角線矩陣即可。為對角線矩陣即可。解耦控制解耦控制就是通過解耦環(huán)節(jié)，使存在耦合的多就是通過解耦環(huán)節(jié)，使存在耦合的多變量控制系統(tǒng)變?yōu)橄嗷オ毩⒌膯巫兞靠刂葡到y(tǒng)。變量控制系統(tǒng)變?yōu)橄嗷オ毩⒌膯巫兞靠刂葡到y(tǒng)。下面討論幾種常用的解耦方法。下面討論幾種常用的解耦方法。1前饋補償解耦設計前饋補償解耦設計前饋補償解耦是最早用于多變量耦合控制系統(tǒng)前饋補償解耦是最早用于多變量耦合控制系統(tǒng)的解耦方法，是利用前饋控制原理實現(xiàn)解耦。的解耦方法，是利用前饋控制原理實現(xiàn)解耦。圖圖7.39所示為應用前饋環(huán)節(jié)實現(xiàn)（二變量）解所示為應用前饋環(huán)節(jié)實現(xiàn)（二變量）解耦的系統(tǒng)框圖。耦的系統(tǒng)框圖。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章圖圖7.39 前饋補償解耦系統(tǒng)框圖前饋補償解耦系統(tǒng)框圖G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+-+-N21(s)N12(s)+根據不變性原理可得根據不變性原理可得U1(s)G21(s)+U1(s)N21(s)G22(s)=0U2(s)G12(s)+U2(s)N12(s)G11(s)=0過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章求得解耦環(huán)節(jié)的數學模型求得解耦環(huán)節(jié)的數學模型圖圖7.39 前饋補償解耦系統(tǒng)框圖前饋補償解耦系統(tǒng)框圖G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+-+-N21(s)N12(s)+過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章圖圖7.40 雙變量解耦系統(tǒng)框圖雙變量解耦系統(tǒng)框圖G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+-+-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)+2對角矩陣解耦設計對角矩陣解耦設計對角矩陣設計法是設計一個解耦器，使解耦器的對角矩陣設計法是設計一個解耦器，使解耦器的傳遞函數陣與被控過程的傳遞函數陣的乘積成為對角傳遞函數陣與被控過程的傳遞函數陣的乘積成為對角陣，以消除多變量被控過程變量之間的相互耦合。陣，以消除多變量被控過程變量之間的相互耦合。例例過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章對對被被控控過過程程的的兩兩個個輸輸入入量量和和輸輸出出量量之之間間的的關關系系,可以列出一組描述對象特性的方程：可以列出一組描述對象特性的方程：Y1(s)=G11(s)Uc1(s)+G12(s)Uc2(s)Y2(s)=G21(s)Uc1(s)+G22(s)Uc2(s)G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+-+-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)+Uc1(s)Uc2(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章可簡寫成：可簡寫成：Y(s)=G(s)Uc(s)式式中中Y(s)為為輸輸出出向向量量，Uc(s)為為輸輸入入向向量量，而而G(s)稱為對象的傳遞矩陣。稱為對象的傳遞矩陣。將此方程組寫成矩陣形式，便是將此方程組寫成矩陣形式，便是過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章解耦環(huán)節(jié)解耦環(huán)節(jié)N(s)接在調節(jié)器和對象接在調節(jié)器和對象G(s)之間：之間：Uc1(s)=N11(s)U1(s)+N12(s)U2(s)Uc2(s)=N21(s)U1(s)+N22(s)U2(s)G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+-+-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)+Uc1(s)Uc2(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章可簡寫成：可簡寫成：式式中中Uc(s)為為輸輸出出向向量量，U(s)為為輸輸入入向向量量，而而N(s)稱為解耦器的傳遞矩陣。稱為解耦器的傳遞矩陣。將此方程組寫成矩陣形式，便是將此方程組寫成矩陣形式，便是過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章 這時調節(jié)器輸出的控制作用這時調節(jié)器輸出的控制作用U(s)與被調節(jié)量與被調節(jié)量Y(s)的關聯(lián)可用矩陣表達：的關聯(lián)可用矩陣表達：G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+-+-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)+Uc1(s)Uc2(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章之積是對角陣：之積是對角陣：則有則有說明說明Y1、Y2之間解耦。據此條件可求解耦陣：之間解耦。據此條件可求解耦陣：中，中，如果如果過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章實現(xiàn)對角解耦之后的等效系統(tǒng)框圖：實現(xiàn)對角解耦之后的等效系統(tǒng)框圖：G11(s)Y1(s)U1(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)X1+-+-X2Y2(s)7.8.2.3 單位矩陣解耦設計單位矩陣解耦設計使解耦陣與對象陣的乘積成為單位陣：使解耦陣與對象陣的乘積成為單位陣：如果在對角解耦中如果在對角解耦中過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章則實現(xiàn)單位解耦之后的等效系統(tǒng)框圖：則實現(xiàn)單位解耦之后的等效系統(tǒng)框圖：實現(xiàn)單位解耦的好處是：使對象的特性等效為實現(xiàn)單位解耦的好處是：使對象的特性等效為1，從而控制特性得到改善。但解耦陣的函數復雜化。從而控制特性得到改善。但解耦陣的函數復雜化。1Y1(s)U1(s)1U2(s)Gc2(s)Gc1(s)X1+-+-X2Y2(s)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章7.8.3解耦控制的進一步討論解耦控制的進一步討論 解耦設計的目的是為了能構成獨立的單回路控制解耦設計的目的是為了能構成獨立的單回路控制系統(tǒng)，獲得滿意的控制性能。在設計解耦器時，需要系統(tǒng)，獲得滿意的控制性能。在設計解耦器時，需要根據實際情況特別注意以下問題：根據實際情況特別注意以下問題：1控制變量與被控變量的配對控制變量與被控變量的配對存在耦合的被控過程中，一個控制變量會影響多存在耦合的被控過程中，一個控制變量會影響多個被控變量。設計解耦時，首先要確定每個被控變量個被控變量。設計解耦時，首先要確定每個被控變量被哪個控制變量控制最合理，即解決耦合過程中被控被哪個控制變量控制最合理，即解決耦合過程中被控變量與控制變量之間的配對問題。變量與控制變量之間的配對問題。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Y2(s)+對匹配關系比較明顯的多變量對象，憑經驗就可對匹配關系比較明顯的多變量對象，憑經驗就可確定控制變量與被控參數之間的配對關系；而對關聯(lián)確定控制變量與被控參數之間的配對關系；而對關聯(lián)關系比較復雜的多變量對象，則用相對增益法評價變關系比較復雜的多變量對象，則用相對增益法評價變量之間的耦合程度。即哪個通道相對增益最大，則此量之間的耦合程度。即哪個通道相對增益最大，則此通道的輸入與輸出為最佳控制配對，其它通道用解耦通道的輸入與輸出為最佳控制配對，其它通道用解耦消除。消除。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章2部分解耦部分解耦所謂部分解耦是指：對耦合關系復雜的對象，所謂部分解耦是指：對耦合關系復雜的對象，只對部分耦合通道采取解耦措施。只對部分耦合通道采取解耦措施。從解耦器函數的求解可以看出，解耦器的實現(xiàn)從解耦器函數的求解可以看出，解耦器的實現(xiàn)比較復雜。為了降低成本，可以只對部分耦合通道比較復雜。為了降低成本，可以只對部分耦合通道采取解耦措施。當然，部分解耦的控制性能比完全采取解耦措施。當然，部分解耦的控制性能比完全解耦過程要差一點。解耦過程要差一點。部分解耦是一種有選擇的解耦，使用時必須首部分解耦是一種有選擇的解耦，使用時必須首先確定哪些過程需要解耦，選擇的依據有兩條：先確定哪些過程需要解耦，選擇的依據有兩條：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章被控變量的相對重要性被控變量的相對重要性 控制過程中各被控變量的重要性是不同的。對那控制過程中各被控變量的重要性是不同的。對那些重要的被控變量，控制要求高，最好采用解耦環(huán)節(jié)些重要的被控變量，控制要求高，最好采用解耦環(huán)節(jié)消除或減少其它輸入對它的耦合。消除或減少其它輸入對它的耦合。如圖精餾工藝如圖精餾工藝中，若對塔頂產品中，若對塔頂產品的純度指標遠高于的純度指標遠高于對塔底產品的純度對塔底產品的純度要求，可采用前饋要求，可采用前饋補償環(huán)節(jié)只消除補償環(huán)節(jié)只消除U2對對T1的耦合。的耦合。圖圖7.37 精餾塔溫度控制系統(tǒng)精餾塔溫度控制系統(tǒng)再沸器再沸器回流回流QL塔底產品塔底產品QW精精 餾餾 塔塔 T2C T2T T1C蒸汽蒸汽QS進料進料F塔頂產品塔頂產品QDu2 T1T冷凝器冷凝器回流罐回流罐U2T1過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章被控變量的響應速度被控變量的響應速度 對象的各個被控變量對輸入的響應速度是不一樣對象的各個被控變量對輸入的響應速度是不一樣的。響應快的被控變量受響應慢的變量的影響小，而的。響應快的被控變量受響應慢的變量的影響小，而響應慢的變量受來自響應快的變量的影響大。響應慢的變量受來自響應快的變量的影響大。如溫度、成分等變量響應較慢，壓力、流量等變如溫度、成分等變量響應較慢，壓力、流量等變量響應較快。量響應較快。因此，在部分解因此，在部分解耦設計時，往往對響耦設計時，往往對響應慢的變量受到的耦應慢的變量受到的耦合進行解耦。合進行解耦。G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Y2(s)+過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章3解耦環(huán)節(jié)的簡化解耦環(huán)節(jié)的簡化從對象的傳遞函數求得解耦裝置的數學模型，對從對象的傳遞函數求得解耦裝置的數學模型，對象傳遞函數越復雜，解耦環(huán)節(jié)的傳遞函數也越復雜，象傳遞函數越復雜，解耦環(huán)節(jié)的傳遞函數也越復雜，實現(xiàn)越困難。如果對求出的解耦環(huán)節(jié)進行適當簡化，實現(xiàn)越困難。如果對求出的解耦環(huán)節(jié)進行適當簡化，可使解耦易于實現(xiàn)?？墒菇怦钜子趯崿F(xiàn)。簡化可以從以下兩個方面考慮：簡化可以從以下兩個方面考慮：在高階系統(tǒng)中，如果存在小時間常數，它與其在高階系統(tǒng)中，如果存在小時間常數，它與其它時間常數的比值小于它時間常數的比值小于1/10左右時，可將小時間常數左右時，可將小時間常數忽略，從而降低解耦模型階數；如果幾個時間常數值忽略，從而降低解耦模型階數；如果幾個時間常數值相近，也可取同一值代替。相近，也可取同一值代替。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章例如某被控過程的傳遞函數陣為：例如某被控過程的傳遞函數陣為：按照上面的簡化原則可以簡化成：按照上面的簡化原則可以簡化成：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章省略解耦函數的動態(tài)部分，只采用靜態(tài)解耦。省略解耦函數的動態(tài)部分，只采用靜態(tài)解耦。例如一個例如一個22的系統(tǒng)，求出的解耦環(huán)節(jié)傳遞矩陣的系統(tǒng)，求出的解耦環(huán)節(jié)傳遞矩陣為：為：如只采用靜態(tài)解耦，則：如只采用靜態(tài)解耦，則：顯然，解耦環(huán)節(jié)簡化為比例環(huán)節(jié)，更容易實現(xiàn)。顯然，解耦環(huán)節(jié)簡化為比例環(huán)節(jié)，更容易實現(xiàn)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章試試驗驗表表明明，當當對對象象各各通通道道的的動動特特性性相相等等或或相相近近時時，用靜態(tài)解耦能滿意地解決耦合問題。用靜態(tài)解耦能滿意地解決耦合問題。由由于于對對象象特特性性的的測測試試或或推推算算都都是是忽忽略略了了一一些些因因素素取取得得的的近近似似值值，因因而而求求得得的的解解耦耦裝裝置置的的數數學學模模型型往往往往是是近近似似的的，加加之之實實現(xiàn)現(xiàn)時時的的誤誤差差，很很難難做做到到理理想想的的“全全解耦解耦”。G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Y2(s)+過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)結構特點結構特點控制特點控制特點 串級串級兩控制器串聯(lián)兩控制器串聯(lián)兩閉合回路形兩閉合回路形成內外環(huán)成內外環(huán)解決對象滯后大，干擾解決對象滯后大，干擾作用強而頻繁，負荷變作用強而頻繁，負荷變化大的問題化大的問題 前饋前饋 開環(huán)控制開環(huán)控制對特定干擾加補償器對特定干擾加補償器 反饋反饋 反饋回路和開反饋回路和開環(huán)的補償回路環(huán)的補償回路疊加而成疊加而成在干擾頻繁，對象有較在干擾頻繁，對象有較大滯后時，對主要干擾大滯后時，對主要干擾加補償器加補償器總結總結過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)結構特點結構特點控制特點控制特點 大滯后大滯后 采樣控制；采樣控制；Simth預估補預估補償控制償控制調一調、等一等；調一調、等一等；利用預估器提前做利用預估器提前做出響應、提前控制出響應、提前控制 比值比值 單閉環(huán)單閉環(huán)雙閉環(huán)雙閉環(huán)變比值變比值實現(xiàn)幾個流量參數實現(xiàn)幾個流量參數符合一定比例關系符合一定比例關系 均勻均勻 簡單均勻控制簡單均勻控制串級均勻控制串級均勻控制對兩個有控制矛盾對兩個有控制矛盾的被控變量，進行的被控變量，進行協(xié)調控制協(xié)調控制過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第7章章控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)結構特點結構特點控制特點控制特點 分程分程 一個控制器一個控制器對多個控制閥對多個控制閥 解耦解耦 多個控制回路多個控制回路對一個控制閥對一個控制閥實現(xiàn)多個操實現(xiàn)多個操縱量協(xié)調操作縱量協(xié)調操作實現(xiàn)多個被控變實現(xiàn)多個被控變量選擇控制量選擇控制 選擇選擇 前饋解耦前饋解耦對角矩陣解耦對角矩陣解耦單位矩陣解耦單位矩陣解耦解除控制回路解除控制回路間的耦合影響間的耦合影響