圖1 緩沖罐液位串級(jí)控制
想象一下調(diào)節(jié)閥有一個(gè)黏滯問(wèn)題，如果沒(méi)有排液流量控制回路，液位控制回路將在一個(gè)長(zhǎng)周期連續(xù)振蕩，這很可能會(huì)影響下游過(guò)程。隨著快速排液流量控制回路的到位，黏滯調(diào)節(jié)閥將導(dǎo)致其振蕩，但由于調(diào)節(jié)良好的排液流量回路固有的快速動(dòng)態(tài)行為，其周期要短得多(更快)，對(duì)下游過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生太大的不利影響。
或者想象調(diào)節(jié)閥具有非線性流量特性，這會(huì)導(dǎo)致控制回路不穩(wěn)定。如果液位控制器直接驅(qū)動(dòng)閥門(mén)，則為了保持穩(wěn)定性必須要把PID參數(shù)整定得弱一些，這樣也會(huì)導(dǎo)致液位控制性能非常差。在具有驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥的排液流量控制回路的串級(jí)控制方案中，排液流量回路將整定得弱一些以保持穩(wěn)定性，這將導(dǎo)致相對(duì)較差的排液流量控制，但由于排液流量回路的動(dòng)態(tài)速度比液位回路快得多，所以液位控制回路幾乎不受影響。
如果副過(guò)程變量純滯后時(shí)間較小，可以通過(guò)副回路的整定使副回路閉環(huán)響應(yīng)比開(kāi)環(huán)響應(yīng)更快，從而改進(jìn)廣義被控對(duì)象的特性。主回路也可以更快地控制主過(guò)程變量。
如果有一個(gè)動(dòng)態(tài)相對(duì)較慢的變量(如液位、溫度、成分、濕度)并且必須操縱流量或其他一些相對(duì)較快的變量來(lái)控制，則應(yīng)始終使用串級(jí)控制。例如，改變?nèi)剂蠚饬髁縼?lái)控制加熱爐出口溫度或者改變蒸汽流量來(lái)控制精餾塔靈敏板溫度。在這兩種情況下，流量控制回路都應(yīng)該用作串級(jí)控制的副回路。
當(dāng)副回路比主回路快得多時(shí)，串級(jí)控制對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)的抑制更有效。無(wú)論如何，即使在閉環(huán)時(shí)間常數(shù)比約為3:1的情況下，串級(jí)控制仍能比單回路控制多抑制50%的干擾。絕大多數(shù)情況下使用串級(jí)都能帶來(lái)控制性能的改善。
串級(jí)控制有三個(gè)缺點(diǎn)：
①需要額外的測(cè)量(通常是流量)才能工作；
②有一個(gè)額外的控制器需要整定；
③控制策略更復(fù)雜。
這些缺點(diǎn)必須與預(yù)期控制改進(jìn)的好處進(jìn)行權(quán)衡，以決定是否應(yīng)該實(shí)施串級(jí)控制。與通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的串級(jí)控制策略實(shí)現(xiàn)的效益相比，這些缺點(diǎn)并不明顯。
只有當(dāng)副回路的動(dòng)態(tài)比主回路的動(dòng)態(tài)快時(shí)，串級(jí)控制才是有益的。如果副回路不比主回路快至少三倍又沒(méi)有其他特殊需求，則通常不應(yīng)使用串級(jí)控制，因?yàn)榭刂菩阅芨纳撇幻黠@。在加熱爐出口溫度控制中設(shè)計(jì)為串級(jí)控制爐膛溫度再串級(jí)燃料，由于燃料到爐膛溫度和到出口溫度的動(dòng)態(tài)特性差不多，因此這是一種典型的串級(jí)控制錯(cuò)誤設(shè)計(jì)。
當(dāng)副回路沒(méi)有明顯快于主回路時(shí)，除了串級(jí)控制的好處減少之外，兩個(gè)回路之間還存在可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的相互耦合的風(fēng)險(xiǎn)，特別是主回路被整定得非常快時(shí)。當(dāng)副回路和主回路動(dòng)態(tài)特性差不多時(shí)，主副回路要選擇明顯不同的期望閉環(huán)時(shí)間常數(shù)(λ)，一般要求主回路的期望閉環(huán)時(shí)間常數(shù)至少是副回路期望閉環(huán)時(shí)間常數(shù)的3倍。
當(dāng)有多個(gè)過(guò)程變量和一個(gè)最終控制元件時(shí)，可以采用多級(jí)串級(jí)控制。當(dāng)PID控制器輸出和過(guò)程變量之間存在顯著的動(dòng)態(tài)，例如，大純滯后時(shí)間或大時(shí)間常數(shù)時(shí)，這種方法尤其有用。通過(guò)使用對(duì)控制器輸出響應(yīng)更快的中間過(guò)程變量，可以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的控制。串級(jí)控制是通過(guò)嵌套控制回路來(lái)建立的，也可以使用帶有更多嵌套回路的串級(jí)控制。如果所有的狀態(tài)變量都被測(cè)量了，那么就不需要再引入其他的過(guò)程變量。在這種情況下，串級(jí)控制等同于狀態(tài)反饋。如圖2所示，對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的響應(yīng)串級(jí)控制要明顯優(yōu)于單回路控制。
圖2 串級(jí)(實(shí)線)和單回路(虛線)控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的響應(yīng)
