【文章內容簡介】 P 的響應都很慢，即熱慣性大，一快一慢就是機爐對象動態(tài)特性方面存在的較大差異 [8]。 機爐動態(tài)特 性的基本特征 構成單元機組受控對象的設備是鍋爐和汽輪發(fā)電機組兩大部分。協調控制系統(tǒng)設計時，主要針對一個雙輸入、雙輸出的受控對象。通過對機爐內在機理的分析，可以看出其動態(tài)特性方面的以下基本特征。 1．在鍋爐控制量 B? 作用下，輸出被控量 TP? 和 N? 的響應是一個慢速的慣性過程。而在汽輪機控制量 ?? 的作用下，輸出被控量 TP? 和 N? 的響應則是一個快速的過程。 2．由于鍋爐的熱慣性比汽輪發(fā)電機組的慣性大得多，使得輸出被控量 TP? 和 N?對于 B? 的響應速度十分接近，表現為傳遞函數矩陣中 )(SGPB 與 )(SGNB 之間十分相似的特性。 3．根據以上機爐特性的基本特征，利用汽輪機調門開度 ?? 作為控制量，可以快速的改變機組的被控量 TP? 和 N? 。其實質是利用了機組內部的蓄熱，主要是鍋爐內部的蓄熱。機組容量越大，相對的這種蓄熱能力越小。因而，利用汽輪機調節(jié)門控制機組輸出功率的方法只是一種有限的、暫態(tài)的策略。 控制系統(tǒng)對模型精度的要求 同控制理論和算法對模型的要求是不同的。因不而，建模的目的以及對模型精度的要求應依據模型應用的要求而定。分析受控過程的基本特性，掌握其內在最主要、最本質的特征，對于設計出合理的控制系統(tǒng)是十分重要的。如前所述，單元機組協調控制系統(tǒng)，把機爐作為一個整體，針對機爐對象的特性，運用反饋、前饋、補償以及多變量解耦等控制理論方法，構成功能完備、結構簡單可靠的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)對過程模型精度方面的要求并不是很高的 [4] 內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 17 第三章 多變量系統(tǒng)的解耦設計 概述 對于多變量控制系統(tǒng)，通過變量的配對選擇，可降低各回路間的耦合。然而若經配對選擇，仍存在嚴重耦合，則需要考慮解耦設計，解耦設計的基本原理在于設置一個補償網絡，用以抵銷存在于各回路間的 關聯，以使各被調量能實現單變量控制。 這種理論和方法物理概念清晰，使用的數學工具較少，與單變量控制理論緊密銜接，便于工程技術人員掌握，因而，在工業(yè)過程控制中應用比較廣泛。 解耦方法簡介 控制系統(tǒng)解耦的基本原理是設置一個合理的補償網絡，分全解耦和單向解耦，所謂全解耦，對于雙變量來說，簡單的來說就是指兩個輸入信號對控制對象能夠分別控制，能夠完全的解除系統(tǒng)之間的耦合，實現完全單相控制；而單相解耦通過補償網絡只能實現一個變量的單相控制，不能完全解除系統(tǒng)中的耦合，在實際生產過程中能夠得到比較滿意的控制效果。解 耦方法一般有串聯補償法、反饋補償法和和差補償 法。 串聯補償法 采用串聯補償法解耦的多變量控制系統(tǒng)如下圖所示， 圖 31 串聯解耦系統(tǒng) T調節(jié)器傳遞矩陣； C補償裝置傳遞矩陣； W被控對象傳遞矩陣； U調節(jié)器輸出向量； Y被調量向量； G給定值向量； M擾動向量 W={Wij}為被控對象的傳遞矩陣， C={Cij}為解耦網絡的傳遞矩陣，對于 C 的設要求使其經解耦后系統(tǒng)的等效對象的傳遞矩陣 WB={Weij}為對角矩陣。即： WC=We(除對角元素不為 0，其余都為 0) 串聯補償法可分為：（ 1） 串聯前補償結構；（ 2）帶調節(jié)器的串聯前補償結構； （ 3） 串聯后補償結構 。（ 4）單向解耦 1．串聯前補償結構 以雙輸入雙輸出系統(tǒng)為例，在被控對象的輸入側串聯一個補償網絡，如圖 32 所內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 18 示，這種補償方式稱之為串聯前補償結構。 系統(tǒng)的等效對象傳遞函數表示為： ???? 2111)( GGsW ???2212GG ???? 211R ??????? 2111121 WWR ???2212WW （ 31） 圖 32 串聯前補償結構圖 實現完全解耦的條件為： 012121112 ???? GRGW 021222121 ???? RGGW （ 32） 由上式可解出補 償器的傳遞函數為： 222121111212GGRGGR???? （ 33） 實現解耦以后系統(tǒng)的等效對象傳遞函數為： ??????? )(0 0)()( 2211 SWSWsW （ 34） 在式（ 34） 中： 2221121111 )( GGGGsW ?? 2221122222 )( GGGGsW ?? （ 35） 由此，可以按照單變量系統(tǒng)設計出調節(jié)器 R11 和 R22。 串聯前補償解耦可以消除定值 x 擾動時對其它回路被調量的影響，但不能對發(fā)生內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 19 在對象輸入側的擾動 ? 實現解耦。這意味著當出現對象輸入擾動時，仍然會對其它回路產生影響，只能由各自調節(jié)回路的調節(jié)作用去消除。 2．帶調節(jié)器的串聯前的補償結構，這種解耦系統(tǒng)的結構如圖 33 所示。 圖 33 帶調節(jié)器的串聯前的補償結構圖 推導補償環(huán)節(jié) 12R 和 21R 的傳遞函數時，可以先通過簡單的框圖交換，把系統(tǒng)化為圖 32 所示的結構，有： 221239。12 RRR ? 112139。21 RRR ? 可得完全解耦的串聯前補償器 39。12R 、 39。21R 表達式為式（ 54）： 1112221239。12 GGRRR ??? 2221112139。21 GGRRR ??? （ 36） 進一步可得帶調節(jié)器的串聯前補償器 R1 R21 表達式為式 (56)： 22111212 RGGR ??? 11222121 RGGR ??? （ 37） 3．串聯后補償結構 在受控對象的輸出側串聯一個解耦網絡，可實現系統(tǒng)的全解耦。系統(tǒng)結構如圖34 所示。 以補償器的輸出 C C2作為系統(tǒng)的輸出，可 得到等效對象的傳遞函數矩陣為： 內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 20 ?????????????? 11)( 122122123111 RRWWWWsW ???2111GG ???2212GG 圖 34 串聯后補償的結構圖 由解耦條件可得到補償器傳遞函數為： 112121 GGR ?? 221212 GGR ?? （ 38） 應當指出，上述解耦是補償器輸出 C C2對定值擾動 x 與內擾 u 的全解耦。對于實際系統(tǒng)輸出和而言，仍將受到內擾 u 的交叉干擾。對于系統(tǒng)調節(jié)器而言，等效為： ??????? 221100)( WWsW 其中 2221121121121111 G GGGGRGW ???? 1121122212212222 G GGGGRGW ???? （ 39） 反饋補償法 采用反饋補償法的解耦控制系統(tǒng)框圖如圖 35 所示。 由解耦網絡 A 組成反饋解耦回路，由于調 節(jié)器輸出向量 U 和擾動向量 M 具有相同通道。因此，反饋解耦回路不僅能消除各通道間的相互關聯，同時還能抑制系統(tǒng)的內擾，實現對內擾的不變性原理。解耦網絡 A 可等效成串聯解耦網絡，然后借助 串聯解耦網絡的計算來求出。反饋解耦回路等效成串聯解耦網絡后，系統(tǒng)框圖如圖 36所示。 內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 21 圖 35 反饋補償控制系統(tǒng)框圖 所以不難看出： 圖 36 反饋解耦系統(tǒng)等效框圖 1()eA I A =+ 由于 ： ee WAW ?? 則： )( AIWW e ?? 其中， We—解耦后等效對象傳遞矩陣。 ????eijeij WW0 … ji ji?? （ 310） 考慮到解耦作用在于消除交叉通道間的關聯，因此，可令 A 的對角元素 0?ija ， I 為單位矩陣。由此上述式中： ????????1121)1(naaA?2121naa?1?nna??????????121?nnaa 所以根據上述式子不難得出： 1eA A I= （ 311） 和差補償法 以上所介紹的幾種解耦方法，在理論上具有較好的解耦效果，但實際上，常 遇到以下問題：一是所設計的解耦補償環(huán)節(jié)，經常是在物理上不可實現的。其二，補償環(huán)節(jié)是按被控對象數學模型，根據零 極點對消的原則設計出來的。這不僅使之實現有困難，而且當對象中的參數變化而造成數學模型的改變時，可能造成系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定，內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 22 從而帶來控制上的困難。采用和差補償法解耦，不需采用補償裝置，而是利用對象各通道傳遞函數的特點，對各通道的傳遞函數進行加減運算，使等效對象的傳遞矩陣成為對角矩陣。 以下以一個具有兩個輸入和兩個輸出的對象為例，如圖 37 所示。 圖 37 和差補償系統(tǒng)結構圖 設此對象的傳遞矩陣為： ?????????? 211121 WWyy ???2212WW ??????21xx （ 312） 令： 21139。1 ykyy ?? 21239。2 yyky ?? 由此可得： ??? ???????????112212111139。239。1WkW WkWyy ???????????211222222112 xxWkW Wk （ 313） 當 W12 與 W22 有相似特性，變化方向相同時，選 k1可使 W12k1W22=0；當 W21與 W11 有相似特性，變化方向相反時，選 k2可使 W21+k2W11=0。 由此可得： 內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 23 ?????????1121222121wwkwwk （ 314） 則有： ???????????????????????112112222221121139。239。100WWWWWWWWyy （ 315） 即實現了完全解耦。 單 向 解耦 單