多變量解耦控制系統(tǒng)中的耦合過程及其要解決的問題

序言

本章討論復(fù)雜過程的控制問題。所謂復(fù)雜過程，是指有一些工業(yè)過程，它們的輸入、輸出變量至少在兩個(gè)或兩個(gè)以上，而且變量之間還存在相互耦合和相互影響，這樣的過程稱之為多輸入/多輸出過程，簡稱多變量過程；還有的雖屬單變量過程，但描述它們的某些特征參數(shù)，如放大倍數(shù)、時(shí)間常數(shù)、純滯后時(shí)間等，卻隨時(shí)間不斷地變化，這樣的過程稱之為特征參數(shù)時(shí)變過程；還有的過程，它們的主要干擾量和過程的輸出量都無法用儀器儀表測量或難以測量；還有的過程，由于它們的復(fù)雜性，過程的參數(shù)模型難以得到，能夠得到的卻是表征輸人、輸出關(guān)系的非參數(shù)模型，如階躍響應(yīng)曲線或脈沖響應(yīng)曲線等；還有的過程，甚至連 輸入、輸出響應(yīng)曲線也很難得到，所能得到的只是根據(jù)人的操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的一系列 “如果……則……”控制規(guī)則等。所有這些過程，均具有不同程度的復(fù)雜性，所以將它們統(tǒng)稱為復(fù)雜過程。面對這些復(fù)雜過程，前面討論的控制策略和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已不能滿足要求。 本章將要討論的多變量解耦控制系統(tǒng)、基于時(shí)變參數(shù)的適應(yīng)式控制系統(tǒng)、基于非參數(shù)模型的 .預(yù)測控制系統(tǒng)以及推理控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)等，就是針對上述復(fù)雜過程而設(shè)計(jì)的。

1.多變量解耦控制系統(tǒng)

（1）耦合過程及其要解決的問題

前面所討論的各種控制系統(tǒng)均屬由一個(gè)被控量和一個(gè)控制量所構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其被控 過程是單輸入/單輸出的。而在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，有些被控過程往往是多輸入/多輸出的。如火力發(fā)電廠中的鍋爐就是一種典型的多輸人/多輸出過程。圖8-1所示為鍋爐中各種控制量對各種被控量的相互關(guān)系圖。可見，它們之間是互相耦合、互相關(guān)聯(lián)、互相影響的， 一個(gè)控制量的變化將會(huì)引起多個(gè)被控量的變化。

在工業(yè)生產(chǎn)中，往往需要設(shè)計(jì)若干個(gè)控制回路來穩(wěn)定多個(gè)被控量。由于被控過程存在耦合，其中任意一個(gè)回路的控制作用發(fā)生變化，將會(huì)影響到其他回路中被控量的變化，甚至可能導(dǎo)致各控制回路無法工作。zui典型的例子就是圖8-2所示的流體傳輸過程中流量與壓力的控制。

由圖可見，當(dāng)干擾使壓力P1升高時(shí)，通過壓力調(diào)節(jié)器PC的調(diào)節(jié)，開大調(diào)節(jié)閥1的開度，增加旁路回流量q1，減小排出量q2，迫使壓力p1回到給定值上；與此同時(shí)，壓力P1的升高，會(huì)使調(diào)節(jié)閥2前后的壓差增大，導(dǎo)致閥門開度未變時(shí)流量q2就增大。此時(shí)，通過流量控制回路，關(guān)小調(diào)節(jié)閥2的閥門開度，迫使閥后流量q2回到給定值上。由于閥后流量q2的減小又將引起閥前壓力p1的增加。如此下去，就導(dǎo)致兩個(gè)控制系統(tǒng)無法正常工作。

通常認(rèn)為，在一個(gè)多變量被控過程中，如果每一個(gè)被控變量只受一個(gè)控制變量的影響，則稱為無耦合過程。對無耦合的多變量被控過程，其控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法與單變量過程控制系統(tǒng)*一樣，這里不再進(jìn)行討論。這里所要討論的是指存在耦合的多變量過程控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。