多參數(shù)控制

具有一個(gè)以上輸入或一個(gè)以上輸出的系統(tǒng)，在那里任一輸入的變動(dòng)產(chǎn)生來自一個(gè)以上輸出的一個(gè)響應(yīng)，叫做多參數(shù)系統(tǒng)。一般說來，會(huì)有m個(gè)輸入和l個(gè)輸出，如圖1所示。如果了l=m，這系統(tǒng)叫做方形系統(tǒng)。

如果任一輸入的變動(dòng)產(chǎn)生來自一個(gè)以上輸出的一個(gè)響應(yīng)，那么這是由于系統(tǒng)中某種內(nèi)部耦合或傳輸通路引起的，通常，當(dāng)處理一個(gè)特定輸入時(shí)，一個(gè)特定的系統(tǒng)輸出端會(huì)比其他輸出端起更大的響應(yīng)，其他輸出端對(duì)這個(gè)物入變動(dòng)的響應(yīng)叫做交互作用。

各個(gè)方面都出現(xiàn)多參數(shù)系統(tǒng)，例如電氣，機(jī)械和化學(xué)工程，經(jīng)濟(jì)，醫(yī)學(xué)工程，管理系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng).(來自熱力學(xué)領(lǐng)域的)多參數(shù)系統(tǒng)的一個(gè)例子是汽車用雙軸式氣輪機(jī).它有一組裝在功率鍋輪機(jī)進(jìn)氣端的可變幾何形狀的噴嘴，如圖1中的方框示意圖所示，這個(gè)系統(tǒng)具有燃料流量、功率渦輪機(jī)噴嘴角度兩個(gè)獨(dú)立輸入和必須控制的燃?xì)獍l(fā)生器速度、功率渦輪機(jī)進(jìn)氣口溫度兩個(gè)輸出變量。操縱任何一個(gè)輸入都產(chǎn)生兩個(gè)輸出的變化。

上一節(jié)敘述了不互相影響的控制，不互相影響的控制并不是最佳控制，另外，對(duì)于外來干擾的控制也比較困難。因此，目前關(guān)于多參數(shù)控制系統(tǒng)，又提出了種種控制方式·這些控制方式既利用了系統(tǒng)的外部變量，也利用了系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)變量，并且，在控制過程中做到不互相影響，從而獲得良好的控制性能。在這些控制方式中，這里主要闡述高橋提出的關(guān)于DDC多參數(shù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。在多參數(shù)控制過程中加上反饋，構(gòu)成串級(jí)系統(tǒng)，適當(dāng)?shù)剡x擇反饋環(huán)節(jié)，既可改善整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，又便于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)加以控制?；谶@些考慮，因此，可在線性控制對(duì)象的模態(tài)域中決定控制算法矩陣．這里的模態(tài)域，是指線性控制對(duì)象的矩陣為了Jordan棕準(zhǔn)型的狀態(tài)空間。

研究一下用以下的公式所裘示的n階線性定?？刂茖?duì)象：

現(xiàn)在研究圖3所表示的串級(jí)控制系統(tǒng)。亦即，從影響內(nèi)部狀態(tài)變量的p中檢測出必要的信息y，然后用第2個(gè)閉環(huán)控制矩陣尺來進(jìn)行反饋控制，實(shí)際上想要控制的控制變量，通過主反饋回路與設(shè)定值相比較，從而得到主控制矩陣的輸入，主控制器的輸出m成為第2個(gè)反饋回路串聯(lián)起來構(gòu)成串級(jí)控制。

如果主反饋回路所操縱的控糊變量以外的變量，還有可以作為y被檢測出來，并可通過K進(jìn)行反饋的，則形成所謂利用控制變量以外的狀態(tài)變量而進(jìn)行的控制。

研究一下圖2的反饋控制系統(tǒng)。假設(shè)其中：

y——控制變量矢量；

a——操作變量矢量；

u——干擾變量矢量；

r——目標(biāo)設(shè)定變量矢量；

P——過程特性矩陣

F一干擾特性矩陣 矩陣的元素gij，fij，cij是傳遞函數(shù)．

C——控制算法矩陣。

歷來用模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制時(shí)，除了對(duì)應(yīng)一個(gè)控制變量選擇一個(gè)操作變量以外，也可控制多個(gè)獨(dú)立單環(huán)所組成的過程，從而對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行控制。但是生產(chǎn)過程在本質(zhì)上是多參數(shù)系統(tǒng)，而且變量之間有種種影響。因此，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，要盡可能避免互相影響。為了避免互相影響使控制性能變壞，對(duì)于有些即使本來需要控制的變量也寧可放棄而不控制。這樣就不可避免地要出現(xiàn)所謂“失控”現(xiàn)象。例如，在蒸餾塔的控制系統(tǒng)中，對(duì)塔頂或塔底的任何一個(gè)組成部分進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)，就可以發(fā)現(xiàn)還存在有不能進(jìn)行自動(dòng)控制的“失控”等現(xiàn)象。

近年來，在化工生產(chǎn)過程中，設(shè)備間的互相影響正在顯著增加。因此，一個(gè)操作變量會(huì)影響到許多控制變量。再有，一個(gè)控制變量也能支配受許多操作變量影響的，作為多參數(shù)系統(tǒng)的整個(gè)控制過程。想要在控制過程中消除影響，必須同時(shí)把許多參數(shù)綜合起來加以控制，這樣的控制方式，就是多參數(shù)控制。

在以前，多參數(shù)控制系統(tǒng)必須要安裝許多調(diào)節(jié)器及運(yùn)算器才能進(jìn)行控制，僅在某些特殊的情況下使用。但是，隨著DDC直接數(shù)字控制系統(tǒng)的普及，多參數(shù)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來也就更加經(jīng)濟(jì)了。

用頻域法研究多參數(shù)控制系統(tǒng) 的分析與設(shè)計(jì)的科學(xué)。現(xiàn)代控制理論的重要分支學(xué) 科。研究對(duì)象為多輸入、多輸出控制系統(tǒng)。該理論是 把一個(gè)多輸入-多輸出、回路間緊密關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)設(shè) 計(jì)，轉(zhuǎn)化為一組單變量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而可選用某一 種古典方法 (如奈奎斯特和伯德的頻率響應(yīng)法、伊萬 斯的根軌跡法等) 完成多參數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

多參數(shù)頻域控制理論主要研究如何將頻率響應(yīng)法 推廣到多參數(shù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其主要設(shè)計(jì)理論包括： 羅森布洛克 (Rosenbrock) 的逆奈化陣列法、梅奈 (Mayne) 的序列回差法、麥克法蘭 (Macfarlane) 的特征軌跡法、歐文斯 (Owens) 的并矢展開法等。 由于頻域設(shè)計(jì)要依賴大量圖形信息，且設(shè)計(jì)過程要反 復(fù)多次才能完成，因此，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 是多參數(shù)頻域理論重要的組成部分和研究內(nèi)容。目 前，這一理論正在向縱深方向發(fā)展。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程的分析要求日益精密，各種較為精確的分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，任何一個(gè)實(shí)際的物理系統(tǒng)都是非線性的。所謂線性只是對(duì)非線性的一種簡化或近似，或者說是非線性的一種特例。如最簡單的歐姆定理。

歐姆定理的數(shù)學(xué)表達(dá)式為U=IR。此式說明，電阻兩端的電壓U是和通過它的電流I成正比，這是一種簡單的線性關(guān)系。但是，即使對(duì)于這樣一個(gè)最簡單的單電阻系統(tǒng)來說，其動(dòng)態(tài)特性，嚴(yán)格說來也是非線性的。因?yàn)楫?dāng)電流通過電阻以后就會(huì)產(chǎn)生熱量，溫度就要升高，而阻值隨溫度的升高就要發(fā)生變化。

多參數(shù)控制簡介

非線性控制理論作為很有前途的控制理論，將成為二十一世紀(jì)的控制理論的主旋律，將為我們?nèi)祟惿鐣?huì)提供更先進(jìn)的控制系統(tǒng)，使自動(dòng)化水平有更大的飛越。

控制系統(tǒng)有線性和非線性之分。嚴(yán)格地說，理想的線性系統(tǒng)在實(shí)際中并不存在。在分析非線性系統(tǒng)時(shí)，人們首先會(huì)想到使用在工作點(diǎn)附近小范圍內(nèi)線性化的方法，當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)的非線性程度不嚴(yán)重時(shí)，采用線性方法去進(jìn)行研究具有實(shí)際意義。但是，如果實(shí)際系統(tǒng)的非線性程度比較嚴(yán)重，則不能采用在工作點(diǎn)附近小范圍內(nèi)線性化的方法去進(jìn)行研究，否則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，甚至?xí)?dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。這時(shí)應(yīng)采用非線性系統(tǒng)的研究方法進(jìn)行研究。

非線性系統(tǒng)的分析方法大致可分為兩類。運(yùn)用相平面法或數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真可以求得非線性系統(tǒng)的精確解，進(jìn)而分析非線性系統(tǒng)的性能，但是相平面法只適用于一階、二階系統(tǒng)；建立在描述函數(shù)基礎(chǔ)上的諧波平衡法可以對(duì)非線性系統(tǒng)作出定性分析，是分析非線性系統(tǒng)的簡便而實(shí)用的方法，尤其在解決工程實(shí)際問題上，不須求得精確解時(shí)更為有效。

多參數(shù)控制實(shí)際系統(tǒng)中的非線性因素

實(shí)際的物理系統(tǒng)，由于其組成元件總是或多或少地帶有非線性特性，可以說都是非線性系統(tǒng)。例如，在一些常見的測量裝置中，當(dāng)輸入信號(hào)在零值附近的某一小范圍之內(nèi)時(shí)，沒有輸出，只有當(dāng)輸入信號(hào)大于此范圍時(shí)，才有輸出，即輸入輸出特性中總有一個(gè)不靈敏區(qū)（也稱死區(qū)），放大元件的輸入信號(hào)在一定范圍內(nèi)時(shí)，輸入輸出呈線性關(guān)系，當(dāng)輸入信號(hào)超過一定范圍時(shí)，放大元件就會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由于機(jī)械加工和裝配上的缺陷，在傳動(dòng)過程中總存在著間隙，其輸入輸出特性為間隙特性，有時(shí)為了改善系統(tǒng)的性能或者簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，還常常在系統(tǒng)中引入非線性部件或者更復(fù)雜的非線性控制器。通常，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最簡單和最普遍的就是繼電特性。

多參數(shù)控制常見非線性特性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響

從非線性環(huán)節(jié)的輸入與輸出之間存在的函數(shù)關(guān)系劃分，非線性特性可分為單值函數(shù)與多值函數(shù)兩類。例如死區(qū)特性、飽和特性及理想繼電特性屬于輸入與輸出間為單值函數(shù)關(guān)系的非線性特性。間隙特性和一般繼電特性則屬于輸入與輸出之間為多值函數(shù)關(guān)系的非線性特性。

在實(shí)際控制系統(tǒng)中，最常見的非線性特性有死區(qū)特性、飽和特性、間隙特性和繼電特性等。在多數(shù)情況下，這些非線性特性都會(huì)對(duì)系統(tǒng)正常工作帶來不利影響。下面從物理概念上對(duì)包含這些非線性特性的系統(tǒng)進(jìn)行一些分析，有時(shí)為了說明問題，仍運(yùn)用線性系統(tǒng)的某些概念和方法。雖然分析不夠嚴(yán)謹(jǐn)，但便于了解，而且所得出的一些概念和結(jié)論對(duì)于從事實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試工作是具有參考價(jià)值的。

研究線性多參數(shù)系統(tǒng)描述、性質(zhì)及分析與設(shè) 計(jì)方法理論的科學(xué)?，F(xiàn)代控制理論的理論基礎(chǔ)，其研 究對(duì)象為線性多輸入、多輸出系統(tǒng)。

線性多參數(shù)系統(tǒng)理論主要研究內(nèi)容包括：

①線性 多參數(shù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述理論，含系統(tǒng)輸入-輸出描述、 狀態(tài)變量描述和多項(xiàng)式矩陣描述以及各種描述之間的 關(guān)系;

②線性多參數(shù)系統(tǒng)分析理論，包括系統(tǒng)的可控 性、可觀測性及穩(wěn)定性等;

③線性多參數(shù)控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì)理論，包括狀態(tài)反饋、狀態(tài)估計(jì)及補(bǔ)償器的理論和 設(shè)計(jì)方法;

④線性多參數(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)理論等。近30年來，這一理論已日趨完善，但仍在不斷發(fā)展，正在將 這一理論推廣應(yīng)用到分布系統(tǒng); 并研究設(shè)計(jì)理論所用 算法的穩(wěn)定性、良態(tài)及病態(tài)問題，以及系統(tǒng)的物理約 束與最優(yōu)化和靈敏度等問題。

同單變量系統(tǒng)相比，多參數(shù)系統(tǒng)的控制復(fù)雜得多。

多參數(shù)系統(tǒng)（multivariable systems）是指具有多個(gè)輸入量或輸出量的系統(tǒng)，又稱多輸入多輸出系統(tǒng)。

在多參數(shù)控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象、測量元件、控制器和執(zhí)行元件都可能具有一個(gè)以上的輸入變量或一個(gè)以上的輸出變量。例如汽輪機(jī)的蒸汽壓力和轉(zhuǎn)速控制，石油化工生產(chǎn)中精餾塔的塔頂溫度和塔底溫度控制，渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪進(jìn)氣溫度的控制等，都是多參數(shù)系統(tǒng)的控制問題。多參數(shù)系統(tǒng)不同于單變量系統(tǒng)，它的每個(gè)輸出量通常都同時(shí)受到幾個(gè)輸入量的控制和影響，這種現(xiàn)象稱為耦合或交叉影響。交叉影響的存在使多參數(shù)系統(tǒng)很可能成為一種條件穩(wěn)定系統(tǒng)。例如，在調(diào)試或運(yùn)行過程中若增益發(fā)生變化或某一元件（例如傳感器）斷開或失靈，就可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。這是多參數(shù)系統(tǒng)特有的問題。在多參數(shù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)于交叉影響的處理，常采用兩種方式：①通過引入適當(dāng)?shù)母郊涌刂破?，?shí)現(xiàn)一個(gè)輸入只控制一個(gè)輸出，稱為解耦控制（見解耦控制問題）；②協(xié)調(diào)各個(gè)輸入和輸出間的關(guān)系，使耦合的存在有利于改善系統(tǒng)的控制性能，稱為協(xié)調(diào)控制。此外，也可采用其他形式的指標(biāo)來設(shè)計(jì)多參數(shù)系統(tǒng)的控制器。（見線性系統(tǒng)理論）

優(yōu)點(diǎn):

1)集中控制便于維護(hù)

2)由表頭到單表頭降低數(shù)據(jù)誤差

多參數(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖4所示：

多參數(shù)分析儀亦可作為實(shí)驗(yàn)室的測量儀器，是主要用于野外采集水溶液Ph、ORP、電導(dǎo)率、溫度的儀器，

多參數(shù)分析儀，適用于石油化工、生物醫(yī)藥、污水處理、環(huán)境監(jiān)測、礦山冶煉等行業(yè)及大專院校和科研單位。

主要特點(diǎn)：

采用MCU技術(shù)，寬屏幕液晶顯示，同時(shí)具有操作提示功能；

使用簡單方便。采用新型PC面板，可靠性好；

可測量pH、ORP、電導(dǎo)率、溫度；

自動(dòng)溫度補(bǔ)償，電導(dǎo)率量程自動(dòng)切換，斷電保護(hù)等功能儀器；

儀器采用低功耗設(shè)計(jì)，具有欠壓顯示；

可選擇五種pH緩沖溶液對(duì)儀器進(jìn)行一點(diǎn)或二點(diǎn)標(biāo)定 解讀詞條背后的知識(shí) 賣香油的老漢 80后 喜歡徒步 音樂 電影 專注分析儀器

用于制藥和生物技術(shù)行業(yè)的便攜式多參數(shù)分析儀Portavo 908 Multi

Portavo 908 Multi是用于液體分析的首款基于Memosens技術(shù)并配備直接打印機(jī)控制功能的便攜式測量設(shè)備。所具有的多種新功能使其非常適合應(yīng)用于制藥和生物技術(shù)領(lǐng)域。這些功能包括：以固定流程周期執(zhí)行新pH校準(zhǔn)程序配備訪問控制的多級(jí)用戶管理直接向設(shè)備分配Memose...

JMB/C流量型控制器，采用先進(jìn)的微電腦芯片技術(shù)，專門用于水處理設(shè)備的流量型再生的控制。該控制器可用于由多閥或多路閥組成的多罐過濾、軟化、除鹽等系統(tǒng)的獨(dú)立控制，具有瞬時(shí)流量、剩余量和累積水量顯示、再生程序預(yù)設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示與其他控制設(shè)備連鎖控制等特殊功能。

控制器性能特性

1.l 設(shè)置密碼保護(hù)

2.l JMB單通道或JMC1-3路多通道流量計(jì)脈沖接收

3.l 流量計(jì)探頭K值選擇（根據(jù)探頭安裝管道尺寸按附表查詢）

4.l 系統(tǒng)流量顯示（0-999t/h）及預(yù)先設(shè)定批量（1-9999.9t）的剩余量遞減顯示

5.l 累計(jì)流量查詢及清零功能

6.l 各路系統(tǒng)（工作、再生、備用、反饋）狀態(tài)顯示

7.l 本地強(qiáng)制手動(dòng)啟動(dòng)再生

8.l 再生啟動(dòng)信號(hào)輸出時(shí)間（2-9999秒）設(shè)定

9.l 系統(tǒng)工作模式：JMC（C1、D2、D3、E2、E3）五種選擇

JMB（C1、C2、C3、C4、C5、D2、D3、D4、D5）九種選擇

注：C型：同時(shí)運(yùn)行輪流再生；D型：多用一備；E型：同時(shí)運(yùn)行分別再生

1.l 再生系統(tǒng)（出水電磁閥控制）輔助接點(diǎn)輸出

2.l 停電保護(hù)功能：停電后設(shè)定的參數(shù)保持時(shí)間大于3年

3.l 儀表外殼采用工程塑料，具有防塵、防腐、防水濺射等功能

4.l 儀表采用墻壁掛裝或支架懸掛安裝形式

主要技術(shù)指標(biāo)

1.l 流量傳感器脈沖量輸入：正弦波頻率范圍0-10K，探頭（直流）電壓幅度4-12V

2.l 采樣周期：0.2秒

3.l 輸出形式：繼電器無源接點(diǎn)輸出 觸點(diǎn)容量，AC220V/2A

4.l 饋電輸入：無源接點(diǎn)反饋信號(hào)

5.l 顯示方式：背光液晶顯示單元，使用壽命≥10年

6.l 儀表電源：開關(guān)電源 100-265V/AC 功耗5W

7.l 使用環(huán)境：環(huán)境溫度4-60℃ 相對(duì)濕度 ≤85%RH

8.l 控制器外殼尺寸：260X170X105mm

JMA--JMC連接示意圖

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