多變量解耦控制系統中的耦合過程及其要解決的問題

序言

本章討論復雜過程的控制問題。所謂復雜過程，是指有一些工業過程，它們的輸入、輸出變量至少在兩個或兩個以上，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，如放大倍數、時間常數、純滯后時間等，卻隨時間不斷地變化，這樣的過程稱之為特征參數時變過程；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，由于它們的復雜性，過程的參數模型難以得到，能夠得到的卻是表征輸人、輸出關系的非參數模型，如階躍響應曲線或脈沖響應曲線等；還有的過程，甚至連 輸入、輸出響應曲線也很難得到，所能得到的只是根據人的操作經驗總結出來的一系列 “如果……則……”控制規則等。所有這些過程，均具有不同程度的復雜性，所以將它們統稱為復雜過程。面對這些復雜過程，前面討論的控制策略和系統設計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、基于時變參數的適應式控制系統、基于非參數模型的 .預測控制系統以及推理控制系統和模糊控制系統等，就是針對上述復雜過程而設計的。

1.多變量解耦控制系統

（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均屬由一個被控量和一個控制量所構成的控制系統，其被控 過程是單輸入/單輸出的。而在實際工業生產過程中，有些被控過程往往是多輸入/多輸出的。如火力發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系圖。可見，它們之間是互相耦合、互相關聯、互相影響的， 一個控制量的變化將會引起多個被控量的變化。

在工業生產中，往往需要設計若干個控制回路來穩定多個被控量。由于被控過程存在耦合，其中任意一個回路的控制作用發生變化，將會影響到其他回路中被控量的變化，甚至可能導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，當干擾使壓力P1升高時，通過壓力調節器PC的調節，開大調節閥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，壓力P1的升高，會使調節閥2前后的壓差增大，導致閥門開度未變時流量q2就增大。此時，通過流量控制回路，關小調節閥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，就導致兩個控制系統無法正常工作。

通常認為，在一個多變量被控過程中，如果每一個被控變量只受一個控制變量的影響，則稱為無耦合過程。對無耦合的多變量被控過程，其控制系統的分析和設計方法與單變量過程控制系統*一樣，這里不再進行討論。這里所要討論的是指存在耦合的多變量過程控制系統的分析與設計問題。