串級(jí)控制是一種利用額外測(cè)量值來(lái)提高控制性能的有效控制策略。下面昌暉儀表介紹一些串級(jí)控制應(yīng)用案例。

1、閥門(mén)定位器
圖1所示閥門(mén)定位器是一種通過(guò)比較閥桿位置與控制輸出的偏差來(lái)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔膜或活塞的壓力，直到達(dá)到正確的閥桿位置的運(yùn)動(dòng)控制裝置。帶定位器氣動(dòng)閥的控制回路是一種非常常見(jiàn)的串級(jí)控制回路。副回路減小了氣動(dòng)系統(tǒng)中的壓力變化和各種非線性對(duì)主過(guò)程變量的影響。


圖1 閥門(mén)定位器示意圖

定位器本質(zhì)上充當(dāng)副回路，閥門(mén)的閥桿位置是副過(guò)程變量，向定位器發(fā)出的指令信號(hào)是設(shè)定值，定位器向閥門(mén)執(zhí)行器發(fā)出的信號(hào)是操縱變量或控制器輸出。因此，當(dāng)過(guò)程控制器向配備定位器的閥門(mén)發(fā)送指令信號(hào)時(shí)，定位器接收該指令信號(hào)，并根據(jù)需要向執(zhí)行器施加盡可能大或盡可能小的氣壓，以實(shí)現(xiàn)所需的閥桿位置。因此，定位器將克服干擾確保調(diào)節(jié)閥性能優(yōu)良并服從指令信號(hào)。

帶閥門(mén)定位器的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是過(guò)程控制中最常用的最終控制元件，所以可以說(shuō)“無(wú)處不串級(jí)”。很多人對(duì)如何整定串級(jí)控制非常困惑，但是實(shí)際上整定的每個(gè)控制回路都是串級(jí)控制的主回路，為什么在實(shí)際工作中我們從來(lái)沒(méi)有為此感到困惑呢？這主要是副回路的閉環(huán)特性要比主回路的閉環(huán)特性快很多，根本不需要考慮副回路的影響，而且在進(jìn)行主回路PID參數(shù)整定時(shí)廣義被控對(duì)象已經(jīng)包括了副回路的閉環(huán)特性。串級(jí)控制PID參數(shù)整定只要注意主副回路合理地選擇λ即可。

2、換熱器
換熱器控制系統(tǒng)的目的是通過(guò)改變蒸汽調(diào)節(jié)閥來(lái)控制出口溫度，圖2所示的控制系統(tǒng)采用串級(jí)控制。副回路是蒸汽流量控制系統(tǒng)，主回路的控制器輸出為蒸汽流量控制器的設(shè)定值。副控制器減小了閥門(mén)的非線性以及蒸汽流量和蒸汽壓力擾動(dòng)對(duì)出口溫度的影響。一般說(shuō)來(lái)，串級(jí)控制總可以帶來(lái)比單回路更優(yōu)的控制性能。


圖2  換熱器出口溫度串級(jí)控制

串級(jí)控制總結(jié)
串級(jí)控制使用標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法，操作員非常容易理解。副控制器需要一個(gè)附加功能，除了常見(jiàn)的自動(dòng)模式和手動(dòng)模式之外，還需要一個(gè)新的控制模式，稱為“串級(jí)”。當(dāng)控制模式處于串級(jí)時(shí)，副控制器的設(shè)定值連接至主控制器輸出，在這種控制模式下，操作員無(wú)法調(diào)整副控制器的設(shè)定值。當(dāng)控制模式處于自動(dòng)或手動(dòng)時(shí)，副控制器的設(shè)定值由操作員提供，在這種情況下，串級(jí)控制模式不起作用。

昌暉儀表網(wǎng)用數(shù)篇文章介紹串級(jí)控制的原理以及串級(jí)控制在抗干擾方面的優(yōu)良性能。串級(jí)控制采用反饋控制原理，因?yàn)楦被芈返倪^(guò)程變量是以因果方式依賴于操縱變量。當(dāng)副回路的動(dòng)態(tài)(主要是純滯后時(shí)間)比主回路快得多時(shí)，串級(jí)控制可以顯著提高閉環(huán)控制性能。在這種情況下，可以快速測(cè)量和補(bǔ)償某些干擾，在降低擾動(dòng)對(duì)操縱變量影響的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程變量的性能改進(jìn)?；谶@種性能改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單性，建議將串級(jí)控制作為第一個(gè)潛在的單回路改進(jìn)方案進(jìn)行評(píng)估。

將串級(jí)控制類比為項(xiàng)目管理或者社會(huì)管理工作的委派。如果主管將某些任務(wù)委派給下屬，并且該下屬在不需要主管進(jìn)一步指導(dǎo)或幫助的情況下執(zhí)行該任務(wù)，則主管的工作會(huì)變得更容易。下屬負(fù)責(zé)所有小細(xì)節(jié)，否則如果主管沒(méi)有人可以委派，這些細(xì)節(jié)會(huì)給主管帶來(lái)負(fù)擔(dān)。這個(gè)類比也清楚地表明了為什么副回路過(guò)程變量必須比主回路過(guò)程變量響應(yīng)得更快：如果主管保持長(zhǎng)期對(duì)目標(biāo)的不關(guān)注(即比給予下屬的任務(wù)完成時(shí)間更長(zhǎng)的時(shí)間)，則主管-下屬管理結(jié)構(gòu)將無(wú)法工作；如果主管專注于實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)比下屬完成任務(wù)所需的時(shí)間短，主管將不可避免地不斷進(jìn)行委派任務(wù)的更新，這些委派對(duì)于下屬來(lái)說(shuō)太快了，這將導(dǎo)致下屬“滯后”于主管的指令，損害大家的滿意度和長(zhǎng)期目標(biāo)。慢性子的主管和急脾氣的下屬可能造成總體目標(biāo)長(zhǎng)期不能完成，急脾氣的主管和慢性子的下屬則可能造成沖突和反復(fù)。

串級(jí)控制本質(zhì)上是一種將決策權(quán)下放的方法。串級(jí)控制的概念不僅限于工程控制系統(tǒng)，社會(huì)和商業(yè)組織也受益于分布式?jīng)Q策。分布式系統(tǒng)的功能肯定比單回路反饋方法更好，然而串級(jí)控制并非普遍適用。如果合適，則選擇最優(yōu)副回路過(guò)程變量。如果不可能立即進(jìn)行，并且需要顯著改善控制性能，工程師應(yīng)調(diào)查添加必要的副回路傳感器的可能性。即使有測(cè)量?jī)x表，串級(jí)也不一定總是可能的。例如，最終控制元件和指示干擾的測(cè)量值之間可能不存在因果關(guān)系。因此，雖然串級(jí)控制通常是提高控制性能的首選方法，但還是需要其他改進(jìn)方法。