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1、过程(guchng)控制系统的基本概念给定一个过程(guchng)控制系统能够正确选择被控对象(duxing)，被控变量，操纵变量，能够正确画出系统的框图根据控制目标选择合适的控制规律控制器参数整定验证性能评估指标复杂过程控制非最小相位系统系统参数已知系统参数未知过程控制系统辨识SISOMIMO第1页/共70页第一页，共71页。第四章 多变量控制系统的辨识(binsh)(binsh)与设计第2页/共70页第二页，共71页。HighlightsWhatsMIMOsystemsWhywestudyMIMOsystemsHowtodesignforMIMOsystems第3页/共70页第三页，共71
2、页。4.1多变量系统(xtng)的基础概念单入单出系统(xtng)（SISO）:多输入多输出(shch)系统（MIMO）:n=m:n=m:方系统；方系统；nm:nm:瘦系统；瘦系统；nm:nm:胖系统胖系统多变量系统的结构特点举例第4页/共70页第四页，共71页。4.1多变量系统的基础(jch)概念多变量系统的模型(mxng)特点多变量系统(xtng)传递函数矩阵：单变量系统传递函数：第5页/共70页第五页，共71页。多变量系统的定义具有多个输入量或输出(shch)量的系统，又称多输入多输出(shch)系统。MIMO系统特有的一些问题强关联性可行性能控性和能观性抗干扰性4.1 多变量多变量(b
3、inling)系统的基础概念系统的基础概念第6页/共70页第六页，共71页。MIMO系统控制性能和系统性能被测变量与控制变量控制的可行性抗干扰性被控变量和操纵变量。系统辨识(binsh)与控制器设计4.1 多变量系统的基础多变量系统的基础(jch)概念概念被测变量与控制变量的配对(pidu)关系被控变量与操纵变量的配对(pidu)关系单一因果关系与非单一因果关系关联影响下的系统稳定性分析与设计第7页/共70页第七页，共71页。4.2 MIMO系统(xtng)的稳定性分析MIMO传递函数模型(mxng)为其中(qzhng)第8页/共70页第八页，共71页。4.2 MIMO系统系统(xtng)的稳
4、定性分析的稳定性分析MIMO状态(zhungti)空间模型为进行(jnxng)Laplace变化可得：第9页/共70页第九页，共71页。稳定性分析：状态空间形式的MIMO系统是开环稳定的，当且仅当矩阵A的所有特征值有负实部。MIMO系统的传递函数矩阵的所有极点( jdin)都在左半平面，系统是稳定的4.2 MIMO系统系统(xtng)的稳定性分析的稳定性分析uMIMO系统的极点是每一个传递函数元素(yun s)的所有极点的集合uMIMO系统的零点是传递函数倒数的极点u方多变量系统的零点就是传递函数矩阵行列式的零点u非方多变量系统的零点定义为使传递函数降秩的s的值第10页/共70页第十页，共71
5、页。4.2 MIMO系统系统(xtng)的稳定性分析的稳定性分析选取(xunq)控制器Gc(s),可得MIMO的闭环传递函数矩阵为：SISOMIMO极点为极点为回差矩阵多项式的根第11页/共70页第十一页，共71页。4.3 一般一般(ybn)MIMO过程的辨识过程的辨识一组SISO第12页/共70页第十二页，共71页。4.3 一般一般(ybn)MIMO过程的辨识过程的辨识MIMO系统结构控制信号(xnho)的定义系统(xtng)分解第13页/共70页第十三页，共71页。辨识系统参数的方法独立(dl)单回路测试：结构简单，计算量少，对扰动敏感分散继电器测试：闭合回路，对扰动不敏感，不易得到极限环
6、，建模困难开环阶跃测试：叠加原理4.3 一般一般MIMO过程过程(guchng)的辨识的辨识第14页/共70页第十四页，共71页。4.4 耦合测度耦合测度(c du)与配对规则与配对规则有无(yuw)规则？如何评价？配对规则(guz)耦合测度第15页/共70页第十五页，共71页。4.4 耦合测度耦合测度(c du)与配对规则与配对规则以TITO系统(xtng)为例：结构(jigu)1：结构2：第16页/共70页第十六页，共71页。耦合测度(cdu)4.4 耦合测度耦合测度(c du)与配对规则与配对规则耦合测度(cdu)衡量u1和y1的关联程度第17页/共70页第十七页，共71页。4.4 耦合
7、测度耦合测度(c du)与配对规则与配对规则第18页/共70页第十八页，共71页。相对增益相对增益(zngy)(zngy)矩阵序列（矩阵序列（Relative Gain ArrayRelative Gain Array）：）：4.4 耦合测度与配对耦合测度与配对(pi du)规则规则若第j个输入与第i个输出配对, ij是第i个回路(hul)的稳态耦合的一个测度第19页/共70页第十九页，共71页。例4.1已知一个(y)2*2系统的模型为4.4 耦合测度耦合测度(c du)与配对规则与配对规则试问(shwn)其RGA是多少？第20页/共70页第二十页，共71页。例4.2请问(qngwn)以下Wo
8、od&Berry双蒸馏塔的RGA是多少？4.4 耦合测度与配对耦合测度与配对(pi du)规则规则第21页/共70页第二十一页，共71页。NO!NO!NO!NO!4.4 耦合测度耦合测度(c du)与配对规则与配对规则第22页/共70页第二十二页，共71页。当通道的相对增益接近于1，例如(lr)0.8ij1，所以(suy)将原有控制器的增益乘以失调因子后，可得调整后的控制器参数为回路1回路2第59页/共70页第五十九页，共71页。4.6MIMO系统(xtng)的分散控制独立(dl)设计法分解(fnji)的TITO过程第60页/共70页第六十页，共71页。若G11(s)和G22(s)不包含不稳定
9、的零点(lndin)或纯滞后比L21(s)+L12(s)小，则若G11(s)和G22(s)包含不稳定的零点(lndin)或纯滞后比L21(s)+L12(s)大，则4.6MIMO系统(xtng)的分散控制不做回路近似情况下如何设计(shj)分散控制器？第61页/共70页第六十一页，共71页。4.6MIMO系统(xtng)的分散控制基于增益和相角(xinjio)裕度（GPM）设计方法第62页/共70页第六十二页，共71页。4.6MIMO系统(xtng)的分散控制第63页/共70页第六十三页，共71页。Am m kI kP kD2/4/4kDa1/4kDa2/4kD3/3/6kDa1/6kDa2/6
10、kD43/8/8kDa1/8kDa2/8kD表表4.14.1典型的增益裕度和相角典型的增益裕度和相角(xin jio)(xin jio)裕度值及对应裕度值及对应PIDPID控制器参数控制器参数Am越大，响应(xingyng)曲线越平滑，响应(xingyng)时间越长！增益！增益(zngy)(zngy)和相角裕度方法适用于和相角裕度方法适用于D/D/比较小的过程比较小的过程4.6MIMO系统的分散控制第64页/共70页第六十四页，共71页。例4.7Wood-Berry二元蒸馏塔模型为设计一个(y)分散控制器解：4.6 MIMO系统系统(xtng)的分散控制的分散控制失调(shtio)因子法：独立
11、设计法：第65页/共70页第六十五页，共71页。(I)(I)n采用采用(ciyng)(ciyng)解耦控制系统的结构解耦控制系统的结构 对角结构对角结构分散分散(fnsn)(fnsn)控控制器制器解耦器解耦器4.6 MIMO系统系统(xtng)的分散控制的分散控制第66页/共70页第六十六页，共71页。(II)(II)解耦控制器解耦控制器n4.6 MIMO系统系统(xtng)的分散控制的分散控制第67页/共70页第六十七页，共71页。例例4.8 Wood-Berry 4.8 Wood-Berry 蒸馏塔问题蒸馏塔问题(wnt)(wnt)4.6 MIMO系统系统(xtng)的分散控制的分散控制第
12、68页/共70页第六十八页，共71页。多变量(binling)系统的基本概念MIMO系统的稳定性分析多变量(binling)系统的控制器设计及参数整定本章本章(bn zhn)小结小结解耦控制(kngzh)减小耦合消除耦合选择变量配对调整控制器参数减少控制回路前馈补偿解耦对角矩阵解耦单位矩阵解耦第69页/共70页第六十九页，共71页。感谢您的欣赏(xnshng)第70页/共70页第七十页，共71页。内容(nirng)总结过程控制系统的基本概念。第1页/共70页。第2页/共70页。第3页/共70页。多输入多输出系统（MIMO）:。第4页/共70页。能控性和能观性。控制性能和系统性能。当相对增益0.3ij0.7或ij1.5时，则表明系统中存在着非常严重的耦合。需要考虑进行(jnxng)解耦设计或采用多变量控制系统设计方法。这样的系统称为解耦控制系统（或自治控制系统）。第69页/共70页。感谢您的欣赏。第70页/共70页第七十一页，共71页。
