【正文】 互關(guān)聯(lián)。例如，發(fā)電廠的中間儲(chǔ)粉倉(cāng)式制粉多變量控制系統(tǒng)，給煤機(jī)的括板位置，熱風(fēng)的送風(fēng)量，二次循環(huán)門(mén)的開(kāi)度(引風(fēng)量)控制磨煤機(jī)裝入的煤量，煤粉溫度及磨煤機(jī)的負(fù)壓，構(gòu)成了33的耦合系統(tǒng)；冶金工業(yè)的熱處理爐溫度控制系統(tǒng)，要求工件均勻受熱，每個(gè)加熱區(qū)都有一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，由加入的燃料來(lái)調(diào)節(jié)溫度，燃料控制會(huì)影響著電加熱爐內(nèi)負(fù)壓，所以還需控制煙囪廢氣的流量，由此構(gòu)成了負(fù)壓與溫度場(chǎng)的耦合系統(tǒng)；軋鋼系統(tǒng)的厚度控制和板型控制也存在著相互關(guān)聯(lián)。還有電力系統(tǒng)的頻率、功率與電壓是三個(gè)需要控制又彼此相關(guān)的量精餾塔的頂部產(chǎn)品成分和回流量壓力與溫度關(guān)聯(lián)，底部產(chǎn)品的成分、回流、送料速度以及塔板溫度等，都是一些彼此有關(guān)聯(lián)的量；因此，多變量系統(tǒng)的控制問(wèn)題是有豐富內(nèi)涵和實(shí)際工程背景的課題[1]。 研究解耦控制系統(tǒng)目的及意義 自動(dòng)化技術(shù)是當(dāng)代發(fā)展迅速，最引人矚目的高技術(shù)之一，是推動(dòng)新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的核心技術(shù)。在某種程度上，可以說(shuō)自動(dòng)化是現(xiàn)代化的同義詞。由于自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，已滲透到社會(huì)經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)和人們生活的各個(gè)方面。自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生面臨的是一個(gè)五彩紛呈、擇業(yè)范圍廣闊的人才市場(chǎng)，具有豐富的多樣性選擇，為了適應(yīng)各種工作的需求，自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)生需要學(xué)習(xí)的自動(dòng)化領(lǐng)域中的知識(shí)愈來(lái)愈多，要求掌握的自動(dòng)化技術(shù)范圍越來(lái)越寬。自動(dòng)化技術(shù)又是一門(mén)工程實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)，掌握自動(dòng)化技術(shù)既要有扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)理論基礎(chǔ)，還要有工程實(shí)踐解決實(shí)際問(wèn)題的能力。 一段時(shí)間以來(lái)，由于各種原因，學(xué)生的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)受到條件限制，能學(xué)到的實(shí)際知識(shí)非常有限，自己動(dòng)手解決實(shí)際問(wèn)題的機(jī)會(huì)幾乎沒(méi)有。作為當(dāng)代大學(xué)生的我們應(yīng)該掌握好本專(zhuān)業(yè)的知識(shí)、增強(qiáng)自己的動(dòng)手能力、解決實(shí)際問(wèn)題的能力、增強(qiáng)自己的創(chuàng)新意識(shí)。為我們?cè)谝院蟮膶W(xué)習(xí)和工作打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)，使我們畢業(yè)以后能更好、更快的融入社會(huì)。自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)是實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)，培養(yǎng)和提高學(xué)生工程動(dòng)手能力一直是該專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。耦合是生產(chǎn)過(guò)程、機(jī)電通訊設(shè)備或儀器儀表裝置普遍存在的現(xiàn)象，對(duì)于極弱耦合度的對(duì)象控制系統(tǒng)品質(zhì)尚可保證。隨著耦合度增加，系統(tǒng)品質(zhì)也會(huì)有明顯惡化，嚴(yán)重影響生產(chǎn)過(guò)程的正常運(yùn)行。因此，解耦控制的研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值、更具有直接應(yīng)用的重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。我們可以用傳統(tǒng)的PID控制器，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)多變量系統(tǒng)進(jìn)行等進(jìn)行解耦，使多變量系統(tǒng)的控制達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。 解耦控制的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 解耦控制研究現(xiàn)狀和成果解耦控制是控制理論中最早的問(wèn)題之一，它的設(shè)計(jì)思想幾乎與控制學(xué)科同時(shí)產(chǎn)生,解耦控制思想最初狹義的提法是不相干控制原則。它是由Roksenbom和Hoodllol提出來(lái)的，他們最先將矩陣分析法應(yīng)用于多變量控制系統(tǒng)分析，分析了有關(guān)飛行器控制的問(wèn)題，即如何通過(guò)分別控制燃料與推進(jìn)器葉片角度來(lái)控制飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的速度與功率，并使這兩個(gè)控制系統(tǒng)互不干涉。1964年Morgan在現(xiàn)代控制理論的框架下正式提出了MIMO多輸入多輸出線性系統(tǒng)的輸入輸出解耦問(wèn)題，即無(wú)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。在多變量控制理論和實(shí)踐中，人們提出了解耦控制問(wèn)題，即如何通過(guò)外部控制手段(如狀態(tài)反饋)將多變量系統(tǒng)解耦，變成若干個(gè)互相獨(dú)立的單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)，從而可用單變量控制的各種成熟技術(shù)來(lái)完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前研究較多的是針對(duì)線性多變量離散系統(tǒng)和針對(duì)較特殊的一類(lèi)非線性多變量離散系統(tǒng)的一些解耦控制方法，而且大多僅考慮實(shí)現(xiàn)靜態(tài)解耦，對(duì)于較一般非線性多變量離散系統(tǒng)的線性化解耦控制的研究成果很少，主要是由于離散非線性MIMO系統(tǒng)的線性化解耦理論本身不成熟，而且由于離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)之間存在著的差異，也很難將連續(xù)系統(tǒng)線性化和解耦控制領(lǐng)域中的一些研究成果直接推廣到離散系統(tǒng)中。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)本身以及連續(xù)和離散非線性解耦理論，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)線性化和解耦控制就比較容易實(shí)現(xiàn)。而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可處理模型完全未知或部分未知的非線性系統(tǒng)，使得逆系統(tǒng)線性化和解耦控制真正走向工程應(yīng)用。 解耦控制的研究方法和內(nèi)容多變量系統(tǒng)的解耦控制的方法可分為四大類(lèi):(1)經(jīng)典解耦控制方法；(2)自適應(yīng)解耦控制方法；(3)模糊解耦控制方法；(4)反饋線性化解耦控制方法。解耦控制主要研究怎樣將一個(gè)多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)解耦劃分為多個(gè)相互獨(dú)立的單輸入單輸出系統(tǒng)。本文主要講解一下單神經(jīng)元PID是如何對(duì)多變量系統(tǒng)進(jìn)行解耦的。第2章 數(shù)字PID控制簡(jiǎn)介 PID控制的基本原理PID 控制器也就是比例、積分、微分控制器，是一種最基本的控制方式[2]。在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律就是PID控制。積分比例微分被控對(duì)象 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID 控制器根據(jù)給定值 與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，從而針對(duì)控制偏差進(jìn)行比例、積分、微分調(diào)節(jié)的一種方法,其連續(xù)形式為[2]：=[++] ()其中= 為系統(tǒng)誤差，、分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。下面簡(jiǎn)單介紹一下PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用：1）比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。2）積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。3）微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。 數(shù)字PID控制算法由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字 PID 控制器將逐漸取代傳統(tǒng)的模擬 PID 控制器。數(shù)字PID控制算法又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。 位置式PID控制算法位置式PID控制算法中必須將式()進(jìn)行離散化處理?，F(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)代表連續(xù)時(shí)間，以和式代替積分，以增量式代替微分，即 　　　　　　()式中 T——采樣周期采樣周期T必須足夠短，才能保證足夠的精度，為書(shū)寫(xiě)方便，把簡(jiǎn)化表示成，將式()代入()可得位置式PID表達(dá)式 ()或 =+ +[] ()式中為采樣序號(hào)，第次采樣計(jì)算機(jī)輸出值，和分別為第次和第次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。積分系數(shù)=/，微分系數(shù)=/。這種算法也有它的缺點(diǎn)，由于是全量輸出，所以每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量很大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)際中不允許的，在某些場(chǎng)合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式PID控制器的控制算法。所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量。 增量式PID控制算法增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，可由式()推導(dǎo)出來(lái)：=++[] ()用式（）減式（），可得=[]++[2+] =++[] ()式中= 增量式控制雖然只是算法上作了一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來(lái)了小少的優(yōu)點(diǎn)：1) 由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去掉。2) 手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的所存作用，故仍能保持原值。3) 算式中不需要累加?？刂圃隽康拇_定僅與最近次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過(guò)加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。 但是增量式控制也有其不足之處：積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。因此，在選擇時(shí)不可一概而論，一般認(rèn)為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可采用位置式控制算法，而在以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或電動(dòng)閥門(mén)作為執(zhí)