圖1 緩沖罐液位串級控制
想象一下調(diào)節(jié)閥有一個黏滯問題，如果沒有排液流量控制回路，液位控制回路將在一個長周期連續(xù)振蕩，這很可能會影響下游過程。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態(tài)行為，其周期要短得多(更快)，對下游過程不會產(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，這會導(dǎo)致控制回路不穩(wěn)定。如果液位控制器直接驅(qū)動閥門，則為了保持穩(wěn)定性必須要把PID參數(shù)整定得弱一些，這樣也會導(dǎo)致液位控制性能非常差。在具有驅(qū)動調(diào)節(jié)閥的排液流量控制回路的串級控制方案中，排液流量回路將整定得弱一些以保持穩(wěn)定性，這將導(dǎo)致相對較差的排液流量控制，但由于排液流量回路的動態(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。
如果副過程變量純滯后時間較小，可以通過副回路的整定使副回路閉環(huán)響應(yīng)比開環(huán)響應(yīng)更快，從而改進(jìn)廣義被控對象的特性。主回路也可以更快地控制主過程變量。
如果有一個動態(tài)相對較慢的變量(如液位、溫度、成分、濕度)并且必須操縱流量或其他一些相對較快的變量來控制，則應(yīng)始終使用串級控制。例如，改變?nèi)剂蠚饬髁縼砜刂萍訜釥t出口溫度或者改變蒸汽流量來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)該用作串級控制的副回路。
當(dāng)副回路比主回路快得多時，串級控制對進(jìn)入副回路的擾動的抑制更有效。無論如何，即使在閉環(huán)時間常數(shù)比約為3:1的情況下，串級控制仍能比單回路控制多抑制50%的干擾。絕大多數(shù)情況下使用串級都能帶來控制性能的改善。
串級控制有三個缺點：
①需要額外的測量(通常是流量)才能工作；
②有一個額外的控制器需要整定；
③控制策略更復(fù)雜。
這些缺點必須與預(yù)期控制改進(jìn)的好處進(jìn)行權(quán)衡，以決定是否應(yīng)該實施串級控制。與通過適當(dāng)設(shè)計的串級控制策略實現(xiàn)的效益相比，這些缺點并不明顯。
只有當(dāng)副回路的動態(tài)比主回路的動態(tài)快時，串級控制才是有益的。如果副回路不比主回路快至少三倍又沒有其他特殊需求，則通常不應(yīng)使用串級控制，因為控制性能改善不明顯。在加熱爐出口溫度控制中設(shè)計為串級控制爐膛溫度再串級燃料，由于燃料到爐膛溫度和到出口溫度的動態(tài)特性差不多，因此這是一種典型的串級控制錯誤設(shè)計。
當(dāng)副回路沒有明顯快于主回路時，除了串級控制的好處減少之外，兩個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，特別是主回路被整定得非?？鞎r。當(dāng)副回路和主回路動態(tài)特性差不多時，主副回路要選擇明顯不同的期望閉環(huán)時間常數(shù)(λ)，一般要求主回路的期望閉環(huán)時間常數(shù)至少是副回路期望閉環(huán)時間常數(shù)的3倍。
當(dāng)有多個過程變量和一個最終控制元件時，可以采用多級串級控制。當(dāng)PID控制器輸出和過程變量之間存在顯著的動態(tài)，例如，大純滯后時間或大時間常數(shù)時，這種方法尤其有用。通過使用對控制器輸出響應(yīng)更快的中間過程變量，可以實現(xiàn)更精準(zhǔn)的控制。串級控制是通過嵌套控制回路來建立的，也可以使用帶有更多嵌套回路的串級控制。如果所有的狀態(tài)變量都被測量了，那么就不需要再引入其他的過程變量。在這種情況下，串級控制等同于狀態(tài)反饋。如圖2所示，對負(fù)載擾動的響應(yīng)串級控制要明顯優(yōu)于單回路控制。
圖2 串級(實線)和單回路(虛線)控制系統(tǒng)對負(fù)載擾動的響應(yīng)
