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串級控制系統(tǒng)-----兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。

例：加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)

1. 基本概念即組成結(jié)構(gòu)

串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。

前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。

整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副

變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。

一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。

2. 串級控制系統(tǒng)的工作過程

當擾動發(fā)生時，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進行工作。根據(jù)擾動施加點的位置不同，分種情況進行分析：

* 1）擾動作用于副回路

* 2）擾動作用于主過程

* 3）擾動同時作用于副回路和主過程

分析可以看到：在串級控制系統(tǒng)中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克服進入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進一步提高。

3. 系統(tǒng)特點及分析

* 改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。

* 能迅速克服進入副回路的二次擾動。

* 提高了系統(tǒng)的工作頻率。

* 對負荷變化的適應性較強

4. 工程應用場合

* 應用于容量滯后較大的過程

* 應用于純時延較大的過程

* 應用于擾動變化激烈而且幅度大的過程

* 應用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程

* 應用于非線性過程

5. 系統(tǒng)設(shè)計

* 主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計

* 副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計

* 控制系統(tǒng)控制參數(shù)的選擇

* 串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇

* 串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定

串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計類似，設(shè)計過程可以按照簡單控制系統(tǒng)設(shè)計原則進行。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個回路的協(xié)調(diào)工作問題。主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問題。

由于副回路是隨動系統(tǒng)， 對包含在其中的二次擾動具有很強的抑制能力和自適應能力，二次擾動通過主、副回路的調(diào)節(jié)對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時應盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動。

歸納如下。

(1) 在設(shè)計中要將主要擾動包括在副回路中。

(2) 將更多的擾動包括在副回路中。

(3) 副被控過程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應特性。

(4) 要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的一部分歸于副對象中。

(5) 在需要以流量實現(xiàn)精確跟蹤時，可選流量為副被控量。

在這里要注意(2)和(3)存在明顯的矛盾，將更多的擾動包括在副回路中有可能導致副回路的滯后過大，這就會影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實際系統(tǒng)的設(shè)計中要兼顧(2)和(3)的綜合。

例如，圖1所示的以物料出口溫度為主被控參數(shù)、爐膛溫度為副被控參數(shù)，燃料流量為控制參數(shù)的串級控制系統(tǒng)，假定燃料流量和氣熱值變化是主要擾動，系統(tǒng)把該擾動設(shè)計在副回路內(nèi)是合理的。

1) 主、副回路中包含的擾動數(shù)量、時間常數(shù)的匹配

設(shè)計中考慮使二次回路中應盡可能包含較多的擾動，同時也要注意主、副回路擾動數(shù)量的匹配問題。副回路中如果包括的擾動越多，其通道就越長，時間常數(shù)就越大，副回路控制作用就不明顯了，其快速控制的效果就會降低。如果所有的擾動都包括在副回路中，主調(diào)節(jié)器也就失去了控制作用。原則上，在設(shè)計中要保證主、副回路擾動數(shù)量、時間常數(shù)之比值在3～10之間。比值過高，即副回路的時間常數(shù)較主回路的時間常數(shù)小得太多，副回路反應靈敏，控制作用快，但副回路中包含的擾動數(shù)量過少，對于改善系統(tǒng)的控制性能不利；比值過低，副回路的時間常數(shù)接近主回路的時間常數(shù)，甚至大于主回路的時間常數(shù)，副回路雖然對改善被控過程的動態(tài)特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及時有效地克服擾動對被控量的影響。嚴重時會出現(xiàn)主、副回路“共振”現(xiàn)象，系統(tǒng)不能正常工作。

2) 主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的匹配、選擇

在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器是定值控制，副調(diào)節(jié)器是隨動控制。系統(tǒng)對二個回路的要求有所不同。主回路一般要求無差，主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應選取PI或PID控制規(guī)律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情況選取P控制規(guī)律而不引入 I 或 D 控制。如果引入 I 控制，會延長控制過程，減弱副回路的快速控制作用；也沒有必要引入 D控制，因為副回路采用 P控制已經(jīng)起到了快速控制作用，引入D控制會使調(diào)節(jié)閥的動作過大，不利于整個系統(tǒng)的控制。

3) 主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定

一個過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負反饋。串級控制系統(tǒng)有兩個回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個回路均為負反饋。確定過程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負反饋副調(diào)節(jié)器應選用那種作用方式，然后再確定主調(diào)節(jié)器的作用方式。以圖1所示物料出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)為例，說明主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定。

副調(diào)節(jié)器作用方式的確定：

首先確定調(diào)節(jié)閥，出于生產(chǎn)工藝安全考慮，燃料調(diào)節(jié)閥應選用氣開式，這樣保證當系統(tǒng)出現(xiàn)故障使調(diào)節(jié)閥損壞而處于全關(guān)狀態(tài)，防止燃料進入加熱爐，確保設(shè)備安全，調(diào)節(jié)閥的 Kv >0 。然后確定副被控過程的Ko2，當調(diào)節(jié)閥開度增大，燃料量增大，爐膛溫度上升，所以 Ko2 >0 。最后確定副調(diào)節(jié)器，為保證副回路是負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)(即增益)乘積必須為正，所以副調(diào)節(jié)器 K 2>0 ，副調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。

主調(diào)節(jié)器作用方式的確定：

爐膛溫度升高，物料出口溫度也升高，主被控過程 Ko1 > 0。為保證主回路為負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) K 1> 0，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。

例如圖1所示串級控制系統(tǒng)示意圖，從加熱爐安全角度考慮，調(diào)節(jié)閥應選氣開閥，即如果調(diào)節(jié)閥的控制信號中斷，閥門應處于關(guān)閉狀態(tài)，控制信號上升，閥門開度增大，流量增加，是正作用方式。反之，為負作用方式。副對象的輸入信號是燃料流量，輸出信號是閥后燃料壓力，流量上升，壓力亦增加是正作用方式。測量變送單元作用方式均為正。

在圖2的串級控制系統(tǒng)框圖中可以看到，由于副回路可以簡化成一個正作用方式環(huán)節(jié)，主對象作用方式為正，主測量變送環(huán)節(jié)為正。根據(jù)單回路控制系統(tǒng)設(shè)計中介紹的閉合系統(tǒng)必須為負反饋控制系統(tǒng)設(shè)計原則，即閉環(huán)各環(huán)節(jié)比例度乘積必須為正，故主調(diào)節(jié)器均選用反作用調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器均選用反作用調(diào)節(jié)器。

在過程控制系統(tǒng)中，被控過程的容量滯后較大，特別是一些被控量是溫度等參數(shù)時，控制要求較高，如果采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。利用串級控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過程動態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率，合理構(gòu)造二次回路，減小容量滯后對過程的影響，加快響應速度。在構(gòu)造二次回路時，應該選擇一個滯后較小的副回路，保證快速動作的副回路。

被控過程中存在純滯后會嚴重影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，使控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。使用串級控制系統(tǒng)，在距離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的位置構(gòu)成副回路，把主要擾動包含在副回路中，提高副回路對系統(tǒng)的控制能力，可以減小純滯后對主被控量的影響。改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。

串級控制系統(tǒng)的副回路對于回路內(nèi)的擾動具有很強的抑制能力。只要在設(shè)計時把變化劇烈幅度大的擾動包含在副回路中，即可以大大削弱其對主被控量的影響。

在過程控制中，一般的被控過程都存在著一定的非線性。這會導致當負載變化時整個系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。單回路系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求，由于串級控制系統(tǒng)的副回路是隨動控制系統(tǒng)，具有一定的自適應性，在一定程度上可以補償非線性對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。