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(jiǎn)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(wú)法用儀器儀表測(cè)量或難以測(cè)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(lái)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(lái)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(wú)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(wú)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(wú)耦合過程。對(duì)無(wú)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。