串级控制原理及应用

串级控制原理及应用

云南昌晖仪表制造有限公司以实例解析串级控制原理、串级控制仪表选用及串级控制系统参数设置方法，工业现场采用串级控制的目的是改善外扰响应和限制负载的控制范围。

1、通过反馈控制改善扰动响应
采用温控器进行测量控制的目的是希望使控制对象的状态(测量温度)快速收缩于目标值(温度的设定等)，对于任何扰动，经常使目标值与控制对象的状态的差为零。那么，反馈控制是怎样抑制由扰动引起的控制状态的混乱呢？如图１所示，以采用温控器进行药液的温度控制为例说明如下。

                               
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图１ 单纯反馈控制系统

构成单纯反馈控制系统仪表配置
1、现场传感器
2、执行器(调节阀、变频器等)
3、单回路温控器
如果用于温度控制等大滞后工况，最好选择带人工智能或模糊控制算法并且带自整定的调节器，以保证在大滞后工况无超调和欠调。
   
此单纯温度反馈控制系统是用阀门的开度改变蒸汽的流量，从而控制药液的温度，作为扰动的主要原因有蒸汽的温度变化，蒸汽的压力变化等。如果在此控制系统产生这些扰动时，采用反馈控制的话，因为这些影响作为药液温度的变化表现出来之前，是不能通过温控器进行修正动作的，因此很难迅速收缩由扰动引起的响应混乱。

                               
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图2  蒸汽温度下降时的响应

2、通过与前馈控制并用改善扰动响应
在前图１的控制系统，如果可测量蒸汽温度的变化，且对于蒸汽温度的变化，能够明确知道需要的适当修正量(开度输出MV)，那么与前馈控制并用的话，会比仅用反馈控制可以改善因蒸汽温度变动引起的影响。

                               
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图3 前馈控制系统

构成前馈控制系统仪表配置
1、现场传感器
2、执行器(调节阀、变频器等)
3、单回路PID调节器
如果用于温度控制等大滞后工况，最好选择带人工智能或模糊控制算法并且带自整定的调节器，以保证在大滞后工况无超调和欠调
4、加减法运算模块

图3是前馈控制系统，检测出蒸汽的温度，蒸汽温度产生变动时，因为可尽快修正此变动，对于蒸汽温度变化这种扰动，可以把药液温度的变动限制在最小限范围。 但是、因为药液温度不受蒸汽流量的影响，一般正确把握蒸汽流量(扰动和温度过程的状态变化的关系)比较困难，通过并用前馈控制改善控制结果受到限制。另因为图3的前馈控制系统仅对蒸汽温度进行补偿，所以对于蒸汽的压力变动没有作用。

3、通过串级控制改善扰动的响应
在图１所示的控制系统假设的扰动是“蒸汽温度的变化”和“蒸汽压力的变化”，无论哪种场合，其变化都会反映为供给药液能量的变化，作为其结果是药液温度产生变化。
因此，假设即使蒸汽的温度或压力变动了，由蒸汽供给药液的能量也能保持一定的话，药液温度应该能保持在一定值。
从此观点，把供给药液能量的药液槽下部的温度检测出来，加在控制回路进行控制的系统。

                               
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图4 串级控制系统

构成串级控制系统仪表配置：
1、现场传感器
2、执行器(调节阀、变频器等)
3、单回路PID调节器
如果用于温度控制等大滞后工况，最好选择带人工智能或模糊控制算法并且带自整定的调节器，以保证在大滞后工况无超调的欠调）
4、外给定调节器

如图4两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值(由多重回路构成)的控制方式叫“串级控制”，其动作如下：温控器 MASTER(主)是为了使“药液温度”成为目标温度，决定“药液槽下部的温度”，输出温控器 SLAVE(从属)的目标温度。温控器 SLAVE(从属)是为了使“药液槽下部的温度”成为由温控器 MASTER(主)决定的目标温度，而决定“开度输出”。

                               
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图5 串级控制回路方块图

SV：药液目标设定温度
FL：蒸汽的流量
SVs：药液槽下部的目标设定温度
PVS：药液槽下部的测量温度
MV：流量控制阀门的开度输出
PV：药液的测量温度
G1：对于蒸汽流量的药液槽下部温度的响应特性
G2：从药液槽下部的温度到药液温度测量点的响应特性

在串级控制系统中，蒸汽的温度或压力一旦发生变化，SLAVE(从属)控器把此变化作为药液槽下部的温度变化检测出来，为了使与来自MASTER(主)温控器输出的药液槽设定温度值的温度差为“０”，调节阀门的开度，由此可知比图１单纯的反馈控制系统可以快速抑制由扰动引起的温度混乱。

                               
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                                                              图6  

４、通过串级控制限制负载的控制范围

                               
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图7 单回路温度控制系统

                               
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                                                          图8 串级温度控制系统

如果是控制输出值MV为100%的话，加热器有可能烧断。
想把加热器的温度控制在600℃以下使用，需要图8的串级控制。 如想把从属温度控制器的输入范围设定为0-600℃，这样主温度控制器输出的MV 0%-100%，即相当于从属温度控制器的目标值SV为0-600℃即可以让加热器的温度工作在600℃以下。

5、串级控制小结
不知是否理解了由串级控制改善扰动响应特性的构成？

                               
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图9 串级控制回路的方块图

如图9所示，在串级控制的控制回路为2个，把反馈本来目的的控制量(PV)的回路叫“MASTER(主)回路”，把在“MASTER(主)回路”内侧的回路叫“SLAVE(从属)回路”。

6、串级控制要取得良好控制效果需要满足以下条件
①可构成从属回路。
②扰动发生在从属回路内。
③对于主侧控制对象的响应速度延迟，从属侧控制对象的响应速度慢延迟小。
请注意，如果不是如上条件时，则对于发生在主回路内的扰动等串级控制不能很好改善扰动响应，串级控制不能得到良好控制效果。

能熟练进行PID参数整定，将自动控制系统投自动，这代表着工程技术人员的自动化技能水平，但很多人并未真正掌握PID控制和PID参数整定。

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