串級(jí)控制是一種利用額外測(cè)量值來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、閥門定位器
圖1所示閥門定位器是一種通過比較閥桿位置與控制輸出的偏差來調(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)主過程變量的影響。


圖1 閥門定位器示意圖

定位器本質(zhì)上充當(dāng)副回路，閥門的閥桿位置是副過程變量，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)過程控制器向配備定位器的閥門發(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)。

帶閥門定位器的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是過程控制中最常用的最終控制元件，所以可以說“無處不串級(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)際工作中我們從來沒有為此感到困惑呢？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)的目的是通過改變蒸汽調(diào)節(jié)閥來控制出口溫度，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。一般說來，串級(jí)控制總可以帶來比單回路更優(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^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)過程變量的性能改進(jìn)。基于這種性能改進(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)，否則如果主管沒有人可以委派，這些細(xì)節(jié)會(huì)給主管帶來負(fù)擔(dān)。這個(gè)類比也清楚地表明了為什么副回路過程變量必須比主回路過程變量響應(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)于下屬來說太快了，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。