論自動化儀表的串級控制設(shè)計

程坤

摘要：本文通過對串級控制系統(tǒng)的介紹，說明了串級控制系統(tǒng)在儀表控制中的重要性，講述了串級控制的設(shè)計方法，說明了串級控制系統(tǒng)為自動化儀表控制中的常用高性能控制過程系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：自動化；串級；調(diào)節(jié)器；回路；干擾；

1.串級控制的概念

串級控制是指串聯(lián)在一起的兩個調(diào)節(jié)器一起工作、他們都各自工作完成不同的工作任務(wù)。簡單控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)的最大區(qū)別在于串級控制系統(tǒng)形成兩個閉合的回路，在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上比簡單控制系統(tǒng)增加了一個調(diào)節(jié)器和一個用于測量的變送器，兩個閉合回路中一個叫做主回路，另一個叫做副回路。因為有副回路的調(diào)節(jié)效果使的控制效果有了顯著的改善。

2.串級控制系統(tǒng)的設(shè)計

在串級控制系統(tǒng)中如果把整個副回路看做是一個等效的過程，一般的單回路控制系統(tǒng)則和串級控制系統(tǒng)不存在什么區(qū)別，也就不需要在設(shè)計問題上進(jìn)行特殊的討論。串級控制系統(tǒng)之所以比一般的單回路控制系統(tǒng)在設(shè)計上復(fù)雜很多就是因為多了一副回路。進(jìn)行串級控制系統(tǒng)設(shè)計時的主要問題有：怎樣選擇副參數(shù)？有什么樣的聯(lián)系存在與主回路和副回路之間？在這個系統(tǒng)中有兩個調(diào)節(jié)器存在，要怎樣對各自的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行選擇以及怎樣去確定他們的正反作用等等。

2.1副回路的設(shè)計以及副參數(shù)的選擇

串級控制的控制效果有很多的特點，這些特點都是因為有副回路的存在才出現(xiàn)的。因此能否設(shè)計好副回路是關(guān)系到串級控制系統(tǒng)能否發(fā)揮出應(yīng)有的特點的關(guān)鍵。在結(jié)構(gòu)上可以看出，副回路是一個單獨的回路。怎樣從整個的被控制過程中選擇出其中的一部分用作副被控制過程來組成一個單獨的回路，副參數(shù)的選擇是其關(guān)鍵所在。副參數(shù)的選擇從控制理論的角度出發(fā)必須遵循下面幾項原則：

2.1.1 副參數(shù)必須要在物理上可測、副對象在時間上的常數(shù)必須要小、盡可能的縮短純滯后的時間，副參數(shù)在物理上的可測是構(gòu)成副回路的必要條件；縮短調(diào)節(jié)的時間可以提高副回路的反應(yīng)速度，因此副被控制過程的時間常數(shù)必須要小，同時要盡可能的縮小純滯后的時間。比如在化工生產(chǎn)中，反應(yīng)釜溫度的串級控制會選擇夾套水的溫度作為副參數(shù)用來組成副回路，對于冷卻水的進(jìn)口的溫度、調(diào)節(jié)閥進(jìn)口的壓力變化等干預(yù)會有很快速的抑制能力，所以這種副參數(shù)的選擇時比較合適的；還有生產(chǎn)中加熱爐對溫度進(jìn)行的串級控制，會選擇爐膛溫度用于副回路的副參數(shù)，可以對煙囪的抽力、燃料的成分和燃料的壓力等變化的干預(yù)能起到快速的克服，也是比較有效的選擇。所以，為了能使副回路充分的發(fā)揮出快速調(diào)節(jié)的作用，副參數(shù)必須要選擇可測的在物理上、同時要對干預(yù)作用做出迅速的反應(yīng)的工業(yè)參數(shù)用作副參數(shù)，這是必須要遵循的第一原則。

2.1.2 在副回路中應(yīng)該多包含一些幅度大、變化頻繁的干擾。為了使的串級控制對進(jìn)入到副回路里的干擾能進(jìn)行較強(qiáng)的抑制，在進(jìn)行副參數(shù)的選擇時，副回路中的應(yīng)該盡可能多的包含干擾，其中對主參數(shù)影響嚴(yán)重、變化頻繁且劇烈的干擾一定要在副回路中包含。但是同時應(yīng)該注意干擾在副回路中包含的越多，副回路在調(diào)節(jié)通道上的關(guān)系一定會增加滯后，這樣會會降低副回路對干擾克服的迅速性，會對控制質(zhì)量的提高產(chǎn)生不利。所以，副回路不是包含的干擾越多就會越好。因此，即使是同一被控制過程，因為主要的干擾的不同，也會采用不同的方案進(jìn)行串級控制?？傮w來說無論在什么情況下，在對副參數(shù)進(jìn)行選擇時都要使主要干擾包含在副回路中，這是必須要遵循的第二原則。

2.1.3 選擇的主被控制過程和副被控制過程時間上的常數(shù)需要適當(dāng)?shù)钠ヅ?。從副參?shù)的選擇原則上來看，副被控制過程的時間常數(shù)要小才能使副回路有盡可能快的調(diào)節(jié)速度，但是如果副被控制過程在慣性的時間常數(shù)過分的減小，不但對整個系統(tǒng)的工作頻率的提高不利，同時也會因為副被控制過程的太小的時間常數(shù)而使得副回路中的包含較少的干擾，這樣有會對確保主被控量的控制質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，但是當(dāng)祝被控制過程和副被控制過程之間的時間常數(shù)有較小的比時，又會出現(xiàn)較多的干擾包含在副回路之中，這樣就會導(dǎo)致副回路不能對進(jìn)入副回路的干擾進(jìn)行及時的克服，出現(xiàn)副回路反應(yīng)遲鈍的現(xiàn)象。由以上可以看出，柱被控制過程和副被控制過程之間的時間常數(shù)應(yīng)該匹配，他們之間的比值不能太小同時也不能夠太大。由研究表明比值在3-10之間的范圍比較合適。

2.1.4需要對控制質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)要求進(jìn)行綜合考慮。在對副參數(shù)進(jìn)行選擇的時候一般會出現(xiàn)比較多的選擇方案，在這個時候需要根據(jù)主參數(shù)的控制質(zhì)量的要求以及經(jīng)濟(jì)要求進(jìn)行綜合考慮。比如由相同的冷卻器可以構(gòu)成兩種不相同的串級控制流程，他們都是以被冷卻物料在出口的溫度為主被控參數(shù)，但是有兩個可以被選擇的副參數(shù)。如果副參數(shù)選擇冷劑液，可以有較少的投資，適合對出口溫度的控制質(zhì)量有不高要求的時候；如果副參數(shù)選擇冷劑的蒸發(fā)壓力，則會投資較多，但是副回路會靈敏，有比較高的出口溫度控制質(zhì)量。在這種情況下需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

2.2對主、副調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行選擇

主、副調(diào)節(jié)器在串級控制系統(tǒng)中起到不同的調(diào)節(jié)作用。主調(diào)節(jié)器在串級控制系統(tǒng)中的作用是定值控制，副調(diào)節(jié)器的作用是隨動控制，以此為基本出發(fā)點進(jìn)行調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇。

工藝操作的主要指標(biāo)作為主被控參數(shù)，在波動范圍上被允許的很小，一般是無靜差要求，因此應(yīng)該選擇PI或者PID作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。

為了對主要干擾對主參數(shù)產(chǎn)生的影響進(jìn)行克服進(jìn)行了副被控參數(shù)的設(shè)置，因此副被控參數(shù)在一定范圍內(nèi)允許變化，并且可以有靜差。所以只需選擇P作為副調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律，積分調(diào)節(jié)規(guī)律一般不會引入，因為積分的調(diào)節(jié)規(guī)律會使得調(diào)節(jié)過程延長，使得副回路的快速作用減弱。但是也需要注意，如果選擇流量作為副參數(shù)，則應(yīng)該選擇比例度較大的以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，即有較弱的比例調(diào)節(jié)作用，在這種時候積分調(diào)節(jié)可以引入，也就是采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，可以使控制作用得到增強(qiáng)。微分調(diào)節(jié)規(guī)律一般不會引入副調(diào)節(jié)器，因為會使得調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)過于頻繁或者調(diào)節(jié)的幅度過大，會不利于控制。

2.3對主、副調(diào)節(jié)器的正作用和反作用方式進(jìn)行選擇

在串級控制系統(tǒng)中對主、副調(diào)節(jié)器的正作用和反作用方式進(jìn)行選擇的方法是：第一調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式是根據(jù)工藝要求進(jìn)行決定的，同時決定副調(diào)節(jié)閥的正作用和反作用；第二主調(diào)節(jié)閥的正作用和負(fù)作用是根據(jù)主、副過程的正、反形式來確定的。

根據(jù)控制理論可以得知，為了正常穩(wěn)定的運行一個控制系統(tǒng)，必須要采用副反饋的形式，也即是在保證系統(tǒng)總的開環(huán)的情況下放大系數(shù)使其為正。對于串級控制系統(tǒng)，也一樣要以整個系統(tǒng)成為負(fù)反饋做為主、副調(diào)節(jié)器在正、反作用方式上進(jìn)行選擇所產(chǎn)生的結(jié)果，也就是說主回路在各環(huán)節(jié)上放大系數(shù)的乘積必須為正才可以。

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