解耦控制课件讲解
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过程控制课件--第七章 解耦控制
完全解耦的要求是，在实现解耦之后，不仅 调节量与被控量之间可以进行一对一的独立控 制，而且干扰与被控量之间同样产生一对一的 影响。
一、前馈补偿法
R1
Gc1 ( s )
Uc1
U1
Gp11(s) Gp21(s) Gp12(s)
Y1
N 21 ( s )
N12 ( s )
R2
Gc 2 ( s )
Uc2
U2
Gp22(s)
Y2
解耦原理：使y1与uc2无关联；使y2与uc1无关联
如果要实现对Uc1 与Y2 、Uc2 与Y1 之间的解耦，根据前 馈补偿原理可得，
U c 1 G p 21 ( s ) U c 1 N 21 ( s ) G p 22 ( s ) 0
U c 2 G p 12 ( s ) U c 2 N 12 ( s ) G p 11 ( s ) 0
p 11 q 11 p 12 q 12 p 21 q 21 p 22 q 22 K 11 K 22 K 11 K 22 K 12 K 21 K 12 K 21 K 12 K 21 K 11 K 22 K 12 K 21 K 12 K 21 K 11 K 22 K 11 K 22 K 11 K 22 K 12 K 21
引入P矩阵，上式可写成矩阵形式，即
Y1 p 11 Y 2 p 21
p 12 U 1 K 11 p 22 U 2 K 21
K 12 U 1 K 22 U 2
U 1 Y1 Y2 K 11 K 22 K 12 K 21 K 11 K 22 K 12 K 21 K 21 K 11 U 2 Y1 Y2 K 11 K 22 K 12 K 21 K 11 K 22 K 12 K 21 K 22 K 12
解耦控制课件
WT1(s)
T 1
D11 D21
1 W11
2
Y1
Y2
r2
WT2(s)
T 2
W21
W12 W22
D12 D22
设计D(s) ，使W(s) D(s)相乘后成为对角阵，这样 就解除了系统间的耦合，使两个控制回路不再 关联。
1.对角矩阵法
推导过程略
r1
WT1(s)
T 1
T 2
W11(s) W22(s)
2.三角矩阵法 推导过程略 解耦器数学模型为
D11 s D s 21 D12 s D22 s
r1
WT1(s) WT2(s)
T 1
W21
Y1
r2
T 2
Y2
W22 s W12 s W21 s 1 W11 s W22 s W12 s W21 s W21 s W11 s W21 s
W12 s W11 s
二、反馈解耦控制
R T
Fd
W Y F
WT
根据串联解耦控制求Fd，再求F
三、前补偿法
前补偿法是在控制器之前(控制对象后)进行补偿的。
r1
WT1(s)
T 1
W11(s) W21(s) W12(s)
Y1
K1 K2
Y1 '
r2
WT2(s)
W22(s)
yi 可表示为 qij j
yr
μ1
yi 第一放大系数 pij j
r
μ1
yi 第二放大系数 qij j
yr
相对增益=第一放大系数/第二放大系数
yi pij j μj到yi这个通道的相对增益为 ij yi qij j
第七章-解耦控制PPT学习教案
7.2 耦合系统中的变量匹配和调节参数整定
[例 7-4 ] 图7.4是一个三种流量混合的例子，设经μ1和μ3通过温度 为100℃的流体。而经通过μ2温度为200 ℃的流体。假定系统的管 道配置完全对称、阀门都是线性阀、阀门系数Kv1=Kv2=Kv3=1，压 力和比热容也相同，且比热容C1=C2=C3=1。通过μ1和μ3的流体和 通过μ2的流体在两边管中进行混合。要求控制混合后流体的温度 （即控制热量）以及总流量。
23/72
第22页/共72页
7.1 相对增益
[例] 若输入输出之间传递关系为
11
0.5
Y1(s)
Y2
(
s
)
7s
1
5
3s 1 0.3
X X
1(s) 2 (s)
13s 1 5s 1
试求系统相对增益，并进行系统耦合分析。
输出 X1(s)
输出 X2(s)
11 +
7s 1
5 13s 1
14/72
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7.1 相对增益
1. 偏微分法
u11((ss))
[例] 双输入双输出系统 u22(s)
输入输出稳态方程
y1 y2
K111 K122 K 21 1 K222
K11 K12 K21
K22
y1(s) y2(s)
y1
K111 K12
y2
K211 K22
第一放大系 数
某些元素<0; λij反映了通道μj与yi之间的稳态增益受其它回路的
影响程度.
22/72
第21页/共72页
7.1 相对增益
2、相对增益与耦合程度
当通道的相对增益接近于1，无需进行解耦系统设计。 例如0.8< λ<1.2，则表明其它通道对该通道的关联作用很小。
解耦控制系统PPT课件
• 在两个回路都闭合的情况下, 控制系统的输入y1,sp、 y2,sp 和输出y1、 y2间的关系为
(1 G11Gc1) y1 (G12Gc2 ) y2 (G11Gc1) y1,sp (G12Gc2 ) y2,sp (G21Gc1) y1 (1 G22Gc2 ) y2 (G21Gc1) y1,sp (G22Gc2 ) y2,sp
第七章 解耦控制系统
• 7.1系统的关联分析
• 在过程控制系统设计中, 常常会遇到多输出-多输入对象, 如何正确选择输出(被控变量)和输入(控制变量)的合理搭配关 系, 是制定良好的控制方案的关键。 Bristol(1966年)提出的 相对增益矩阵的概念, 为我们的方案选择提供了一个定量的判 定标准。 设计好控制系统后, 常常会发现控制器回路之间还存在关 联, 要通过设计补偿装置来消除或减少回路之间关联的作用, 使系统平稳运行, 就要采用多变量解耦控制(Multivariable Decoupling Control)技术。
传回来, 反过来又影响回路2的输出, 并且通过回路2反馈通道
返回至y2,sp输入端, 形成第三个闭合回路, 这便是两控制回路 间关联的实质。 如果处于闭环状态的两个控制器的输出u1、 u2不断地相互影响, 就会严重影响控制系统的品质。 在大多数
场合中, 控制系统的关联都是不好的, 应予避免或削弱。
8
k11
k12k21 k22
k11k22
k11k22 k12k21
（7-9）
25
• 同理可从式(7-8)中求出
12
k12k21 k11k22 k12k21
21
k12k21 k11k22 k12k21
22
k11k22 k11k22 k12k21
线性系统课件解耦控制问题讲解精品文档
5.5 解耦控制问题
一 .动态解耦问题
对象：p个输入，p个输出
x Ax Bu y Cx G (s) C (sI A)1 B
若系统的初始状态为0，则
y1(s)g11(s)u1(s)g12(s)u2(s)g1p(s)up(s) y2(s)g21(s)u1(s)g22(s)u2(s)g2p(s)up(s) yp(s)gp1(s)u1(s)gp2(s)u2(s)gpp(s)up(s)
w
Bw
Dw
xc
r-xc 来自cxc BceKc{A,B,C,D}
-
y
伺服补偿器
K
镇定补偿器
• 对象
x Ax Bu B w w
y Cx Du D w w { A, B, C}能控 , 能观
•
干扰信号
xw Awxw, xw(0)未知
w(t) Cwxw
• 参考信号 xr Arxr, xr(0)未知 r(t) Crxr
1 (s)
使闭环系统稳定的部分 N c (s) D c (s)
在回路中引入(复制)参考信号和扰动信号的模型
1
(s)
这种方法常称为内模原理.
1 (s)
称为内模.
对象 G(s) N(s)
D(s)
的参数变化称为参数摄动.
• 在以上方法中,对象和补偿器的参数变化即使很大,但只
要 D c (s) D (s) (s) N c (s) N (s) 0
令
r(s),w(s)
(s) 是
分别是 Ar , Aw 的最小多项式
r(s),w(s) 位于右半闭S平面上的根
因式的最小公倍式.
一 .动态解耦问题
对象：p个输入，p个输出
x Ax Bu y Cx G (s) C (sI A)1 B
若系统的初始状态为0，则
y1(s)g11(s)u1(s)g12(s)u2(s)g1p(s)up(s) y2(s)g21(s)u1(s)g22(s)u2(s)g2p(s)up(s) yp(s)gp1(s)u1(s)gp2(s)u2(s)gpp(s)up(s)
w
Bw
Dw
xc
r-xc 来自cxc BceKc{A,B,C,D}
-
y
伺服补偿器
K
镇定补偿器
• 对象
x Ax Bu B w w
y Cx Du D w w { A, B, C}能控 , 能观
•
干扰信号
xw Awxw, xw(0)未知
w(t) Cwxw
• 参考信号 xr Arxr, xr(0)未知 r(t) Crxr
1 (s)
使闭环系统稳定的部分 N c (s) D c (s)
在回路中引入(复制)参考信号和扰动信号的模型
1
(s)
这种方法常称为内模原理.
1 (s)
称为内模.
对象 G(s) N(s)
D(s)
的参数变化称为参数摄动.
• 在以上方法中,对象和补偿器的参数变化即使很大,但只
要 D c (s) D (s) (s) N c (s) N (s) 0
令
r(s),w(s)
(s) 是
分别是 Ar , Aw 的最小多项式
r(s),w(s) 位于右半闭S平面上的根
因式的最小公倍式.
【线性系统课件】解耦控制问题讲解
5.6 跟踪问题:无静差性和鲁棒控制
一.问题的提出 SISO系统:对象 设计补偿器
N c (s) Dc (s)
G (s)
N (s) D (s)
,使输入y(t)跟踪参考输入r(t).
W(s)
R (s) + e
N c (s) Dc (s)
+
N (s)
D
1
Y(s)
(s)
-
渐近跟踪: 扰动抑制: 无静差跟踪:
y K
伺服补偿器
镇定补偿器
• 对象
x Ax Bu B w w y Cx Du D w w { A , B, C} 能控 , 能观
• 干扰信号 x w A w x w , x w ( 0 ) 未知
w (t ) C w x w
• 参考信号 令
x r A r x r , x r ( 0 ) 未知 r (t ) C r x r
5.5 解耦控制问题
一 .动态解耦问题
对象：p个输入，p个输出
x Ax Bu y Cx G ( s ) C ( sI A ) B
1
若系统的初始状态为0，则
y 1 ( s ) g 11 ( s ) u 1 ( s ) g 12 ( s ) u 2 ( s ) g 1 p ( s ) u p ( s ) y 2 ( s ) g 21 ( s ) u 1 ( s ) g 22 ( s ) u 2 ( s ) g 2 p ( s ) u p ( s ) y p ( s ) g p 1 ( s ) u 1 ( s ) g p 2 ( s ) u 2 ( s ) g pp ( s ) u p ( s )
解耦控制 ppt课件
Y Y1 2((SS))G 0.1.1 (G S .).2.2 .(S.0)..U U .1 2((S S))
ppt课件
9
实现对角解耦后的等效系统框图
U1(S)
GP(S)
Uc1(S)
G (S)
U2(S)
Uc2(S)
根据解耦要求，解耦后的等效传递函数矩阵为对角阵。即：
Y Y1 2((S S)) G 0.1.1 (G S .).2.2 .(S .0 ). .U U .1 2((S S))
耦合对象的传函矩阵为 G(S)G G1211((SS))....G G ..1..22..2((SS)) 解耦环节的传函矩阵为 GP(S)Gቤተ መጻሕፍቲ ባይዱGP P121(1(SS))....G G ..P P..12..2(2(SS))
U U C C 1 2 ((S S)) G G P P 1 2((1 1 S S))..G G ..P P .1 .2(.2 .(2 S S ..)) U U 1 2((S S))
第一章 解耦控制系统
被控过程的耦合现象及对控制过程的影响 解耦控制系统 ※解耦控制系统设计 解耦控制中的问题 相对增益（自学）
ppt课件
1
1.1被控过程的耦合现象及对控制过程的影响 图1-1为某精馏塔温度控制系统
在石油化工生产中，使用的原料和反 应后的产物多是由若干组分组成的混合 物，常需要进行分离得到比较纯的组分 作为中间产品或最终产品。要进行蒸馏 处理。精馏塔是由精馏塔身、冷凝器和 再沸器等基本部件构成。 被控参数:塔顶温度T1和塔底温度T2， 控制变量:塔顶回流量QL和加热蒸汽流 量QS T1C:塔顶温度控制器，其输出u1控制 回流调节阀，调节塔顶回流量QL,实现 塔顶温度T1控制。 T2C:塔底温度控制器，其输出u2控制 再沸器加热蒸汽调节阀，调节加热蒸汽 量QS,实现塔底温度T2控制。
ppt课件
9
实现对角解耦后的等效系统框图
U1(S)
GP(S)
Uc1(S)
G (S)
U2(S)
Uc2(S)
根据解耦要求，解耦后的等效传递函数矩阵为对角阵。即：
Y Y1 2((S S)) G 0.1.1 (G S .).2.2 .(S .0 ). .U U .1 2((S S))
耦合对象的传函矩阵为 G(S)G G1211((SS))....G G ..1..22..2((SS)) 解耦环节的传函矩阵为 GP(S)Gቤተ መጻሕፍቲ ባይዱGP P121(1(SS))....G G ..P P..12..2(2(SS))
U U C C 1 2 ((S S)) G G P P 1 2((1 1 S S))..G G ..P P .1 .2(.2 .(2 S S ..)) U U 1 2((S S))
第一章 解耦控制系统
被控过程的耦合现象及对控制过程的影响 解耦控制系统 ※解耦控制系统设计 解耦控制中的问题 相对增益（自学）
ppt课件
1
1.1被控过程的耦合现象及对控制过程的影响 图1-1为某精馏塔温度控制系统
在石油化工生产中，使用的原料和反 应后的产物多是由若干组分组成的混合 物，常需要进行分离得到比较纯的组分 作为中间产品或最终产品。要进行蒸馏 处理。精馏塔是由精馏塔身、冷凝器和 再沸器等基本部件构成。 被控参数:塔顶温度T1和塔底温度T2， 控制变量:塔顶回流量QL和加热蒸汽流 量QS T1C:塔顶温度控制器，其输出u1控制 回流调节阀，调节塔顶回流量QL,实现 塔顶温度T1控制。 T2C:塔底温度控制器，其输出u2控制 再沸器加热蒸汽调节阀，调节加热蒸汽 量QS,实现塔底温度T2控制。
《解耦控制系统》课件
绿色化：解耦控制系统将更加绿色化，能够 实现节能减排和环保要求
安全性：解耦控制系统将更加安全性，能够 实现故障诊断和预警功能
标准化：解耦控制系统将更加标准化，能够 实现不同厂家产品的互操作性
技术挑战：如何实现更高效、 更精确的解耦控制
应用挑战：如何将解耦控制系 统应用于更多领域
市场机遇：随着智能化、自动 化的发展，解耦控制系统的市 场需求将不断增加
解耦控制系统
汇报人：PPT
目录
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解耦控制系统的基 本概念
解耦控制系统的设 计方法
解耦控制系统的实 现过程
解耦控制系统的优 缺点分析
解耦控制系统的未 来发展与展望
添加章节标题
解耦控制系统的基 本概念
解耦控制系统是一种能够将多个输入信号分离，并分别控制各个输出信号的控制系统。 解耦控制系统的主要目的是实现多个输入信号的独立控制，避免相互干扰。 解耦控制系统通常包括解耦器、控制器和执行器等部分。 解耦控制系统的应用广泛，如工业自动化、航空航天、机器人等领域。
其他控制系统 的缺点：无法 有效消除耦合 效应，系统的 稳定性和准确
性较差
解耦控制系统的未 来发展与展望
智能化：解耦控制系统将更加智能化，能够 自动识别和控制各种复杂工况
网络化：解耦控制系统将更加网络化，能够 实现远程监控和诊断
集成化：解耦控制系统将更加集成化，能够 实现多种功能的集成和协同工作
优点：能够实现系统的解耦， 提高系统的稳定性和性能
解耦控制系统的设计方法：参数优化解耦控制 参数优化解耦控制的原理：通过调整系统参数，实现系统的解耦控制 参数优化解耦控制的步骤：确定系统参数、优化参数、实现解耦控制 参数优化解耦控制的应用：在电力系统、自动化控制等领域有广泛应用
解耦控制系统PPT课件模板
不当的解耦控制策略可能导致系统出 现新的稳定性问题，如振荡或发散。
解耦控制系统的未来发展方向
智能化解耦控制
多目标优化解耦控制
利用人工智能和机器学习技术，实现自适 应、自学习的解耦控制策略。
研究如何同时优化多个性能指标，实现更 全面的系统性能提升。
网络化解耦控制
鲁棒性解耦控制
针对网络化控制系统，研究如何实现有效 的解耦控制策略。
多变量系统问题
在许多实际工业过程中，系统常常存在多个输入和输出变量，这些变量之间可 能存在耦合关系，导致系统难以控制。解耦控制系统旨在解决这一问题。
解耦控制系统的定义
控制策略
解耦控制系统是一种通过某种控制策 略，使得多变量系统中的各个变量之 间尽可能减少耦合关系的控制系统。
目的
解耦控制系统的目的是提高系统的可 控制性和可观测性，使得各个输出变 量能够独立地被控制，从而更好地实 现系统的性能优化和稳定运行。
06
结论
解耦控制系统的重要性和意义
提高系统性能 解耦控制系统能够将耦合的多个 过程或子系统进行解耦，从而提 高每个子系统的性能和稳定性。
增强系统可靠性 解耦控制系统能够降低子系统之 间的耦合程度，减少系统故障的 传播和扩散，统的设计能够简化系 统结构，降低系统复杂性和控制 难度，提高系统的可维护性和可 扩展性。
详细描述
在能源领域中，解耦控制系统主要用于控制各种能源设备和系统，如风力发电、太阳能发电、火力发电等。通过 解耦控制技术，可以实现能源设备的快速响应和精确控制，提高能源的产出和利用率，降低能耗和环境污染。
04
解耦控制系统的优势与挑战
解耦控制系统的优势
提高系统性能
解耦控制系统能够将复杂系统 分解为多个独立的子系统，从
解耦控制系统的未来发展方向
智能化解耦控制
多目标优化解耦控制
利用人工智能和机器学习技术，实现自适 应、自学习的解耦控制策略。
研究如何同时优化多个性能指标，实现更 全面的系统性能提升。
网络化解耦控制
鲁棒性解耦控制
针对网络化控制系统，研究如何实现有效 的解耦控制策略。
多变量系统问题
在许多实际工业过程中，系统常常存在多个输入和输出变量，这些变量之间可 能存在耦合关系，导致系统难以控制。解耦控制系统旨在解决这一问题。
解耦控制系统的定义
控制策略
解耦控制系统是一种通过某种控制策 略，使得多变量系统中的各个变量之 间尽可能减少耦合关系的控制系统。
目的
解耦控制系统的目的是提高系统的可 控制性和可观测性，使得各个输出变 量能够独立地被控制，从而更好地实 现系统的性能优化和稳定运行。
06
结论
解耦控制系统的重要性和意义
提高系统性能 解耦控制系统能够将耦合的多个 过程或子系统进行解耦，从而提 高每个子系统的性能和稳定性。
增强系统可靠性 解耦控制系统能够降低子系统之 间的耦合程度，减少系统故障的 传播和扩散，统的设计能够简化系 统结构，降低系统复杂性和控制 难度，提高系统的可维护性和可 扩展性。
详细描述
在能源领域中，解耦控制系统主要用于控制各种能源设备和系统，如风力发电、太阳能发电、火力发电等。通过 解耦控制技术，可以实现能源设备的快速响应和精确控制，提高能源的产出和利用率，降低能耗和环境污染。
04
解耦控制系统的优势与挑战
解耦控制系统的优势
提高系统性能
解耦控制系统能够将复杂系统 分解为多个独立的子系统，从
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系统的相对增益矩阵内同一行诸元素之和为1， 同一列诸元素之和也为1。
[例9-3]一条母管上有两个并联支路的系统如图9-4所示。各支 路均有流量控制，流经两管的总流量是不变的。假如两管道情 况相同，它们的增益也相同。
Q1 K111 K122 Q2 K222 K211
结 论：
2.三角矩阵法 推导过程略
r1
WT1(s)
T1
Y1
W21
解耦器数学模型为
WT2(s)
r2
T 2
Y2
D11 s D21s
D12 s D22 s
W11
s
W22
s
1
W12
s
W21
s
W22 s W12 sW21s W21s W11sW21s
W12 s
W11s
二、反馈解耦控制
Fd
R
T
WT
W
Y
F
根据串联解耦控制求Fd，再求F
三、前补偿法
前补偿法是在控制器之前(控制对象后)进行补偿的。
r1
WT1(s)
T1 W11(s)
Y1
Y1 '
W21(s)
K1
W12(s)
K2
r2
WT2(s)
W22(s)
T 2
Y2
Y2 '
第三节 解耦控制方法
解耦的本质在于设置一个计算网络，减少 或解除耦合，以保证各个单回路控制系统能独 立地工作。
解耦常用的方法有三种 一、串联解耦控制 二、反馈解耦控制 三、前补偿法
一、串联解耦控制
Y(s)=W(s)(s) (s)=D(s) T(s)
r1
r2
WT1(s)
T1
D11 D21
pij
yi
j
r
第二放大系数：在所有其它回路均闭合，即保持其 它被控制量都不变的情况下，找出各通道的开环增 益，记作矩阵Q。它的元素qij的静态值称为μj到yi通 道的第二放大系数。
可表示为
qij
yi
j
yr
μ1
第一放大系数
pij
yi
j
r
μ1
第二放大系数
qij
yi
P2
12
22
2
P1 P2
P0
P2
P0 P1
P0 P2
2.间接法：由第一放大系数经过计算得到第二放 大系数从而得到相对增益矩阵。
引入H矩阵
设
h ji
1 qij
则
ij
pij qij
pij hji
用矩阵表示
Λ=P*（P-1）T =（H-1）*HT
南华大学电气工程学院
解耦控制
解耦控制
第一节、概 述 第二节、系统的耦合 第三节、解耦控制方法
第一节 概 述
耦合：控制量与被控量之间 是互相影响的，一个控制量 的变化同时引起几个被控制 量变化的现象。 解耦：消除系统之间的相互 耦合，使各系统成为独立的 互不相关的控制回路。 解耦方法：
被控量和控制量之间的 适当匹配；
j
yr
相对增益=第一放大系数/第二放大系数
μj到yi这个通道的相对增益为
yi
ij
pij qij
j
yi
r
j yr
若λij＝1，表明由yi和μj组成的控制回路与其它回路之间 没有关联。
若λij=0，即pij=0，表明控制量μj不影响被控量yi，则不 能用μj来控制yi。
若λij→∞，即qij=0，表明其它闭合回路的存在使得yi不 受μj的影响。
二、求取相对增益的方法
1.直接法：按定义对过程的参数表达式进行微分，分别 计算出第一和第二放大系数,然后得到相对增益矩阵。
11 21
1
d p1
P0
P0
P1
P0
P1
P2 P2
WT2(s) T 2 D12
1
2
W11 W21 W12
Y1
Y2
Y(s)=W(s) D(s) T(s)
D22
W22
设计D(s) ，使W(s) D(s)相乘后成为对角阵，这样 就解除了系统间的耦合，使两个控制回路不再 关联。
1.对角矩阵法
推导过程略
解耦器数学模型为
r1
T1
Y1
WT1(s)
K11 K21
K12 1
K
22
2
双变量耦合系统
第一放大系数：是指控制量μj改变了一个△μ时，其 它控制量μr(r≠j)均不变的情况下，μj与yi之间通道的 开环增益。显然它就是除μj 到yi 通道外，其它通道 全部断开时所得到的μj 到yi 通道的静态增益。
可表示为
重新整定调节器参数； 附加解耦装置
第二节 系统的耦合
一、相对增益的定义
相对增益用来衡量一个控制量 μj对一个被控制量yi的影响。
y1 y2
K11W11 K21W21
K12W12 1
K
22W22
2
开环增益矩阵（静态耦合）
y1 y2
（1）当通道的相对增益接近于1，例如1.2>λ>0.8,则 表明其它通道对该通道的关联作用很小,不必采取特别 的解耦措施。
（2）当相对增益小于零或接近于零，说明使用本通 道调节器不能得到良好的控制效果。即这个通道的变 量选配不恰当，应重新选择。
（3）一般在0.7> >0.3 或>1.5范围内时,表明系统中 存在严重的耦合,需进行耦合设计。
W11(s)
WT2(s)
W22ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱs)
r2
T 2
Y2
D11 s
D21
s
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