论自动化仪表的串级控制设计

程坤

摘要：本文通过对串级控制系统的介绍，说明了串级控制系统在仪表控制中的重要性，讲述了串级控制的设计方法，说明了串级控制系统为自动化仪表控制中的常用高性能控制过程系统。

关键词：自动化；串级；调节器；回路；干扰；

1.串级控制的概念

串级控制是指串联在一起的两个调节器一起工作、他们都各自工作完成不同的工作任务。简单控制系统和串级控制系统的最大区别在于串级控制系统形成两个闭合的回路，在控制系统结构上比简单控制系统增加了一个调节器和一个用于测量的变送器，两个闭合回路中一个叫做主回路，另一个叫做副回路。因为有副回路的调节效果使的控制效果有了显著的改善。

2.串级控制系统的设计

在串级控制系统中如果把整个副回路看做是一个等效的过程，一般的单回路控制系统则和串级控制系统不存在什么区别，也就不需要在设计问题上进行特殊的讨论。串级控制系统之所以比一般的单回路控制系统在设计上复杂很多就是因为多了一副回路。进行串级控制系统设计时的主要问题有：怎样选择副参数？有什么样的联系存在与主回路和副回路之间？在这个系统中有两个调节器存在，要怎样对各自的调节规律进行选择以及怎样去确定他们的正反作用等等。

2.1副回路的设计以及副参数的选择

串级控制的控制效果有很多的特点，这些特点都是因为有副回路的存在才出现的。因此能否设计好副回路是关系到串级控制系统能否发挥出应有的特点的关键。在结构上可以看出，副回路是一个单独的回路。怎样从整个的被控制过程中选择出其中的一部分用作副被控制过程来组成一个单独的回路，副参数的选择是其关键所在。副参数的选择从控制理论的角度出发必须遵循下面几项原则：

2.1.1 副参数必须要在物理上可测、副对象在时间上的常数必须要小、尽可能的缩短纯滞后的时间，副参数在物理上的可测是构成副回路的必要条件；缩短调节的时间可以提高副回路的反应速度，因此副被控制过程的时间常数必须要小，同时要尽可能的缩小纯滞后的时间。比如在化工生产中，反应釜温度的串级控制会选择夹套水的温度作为副参数用来组成副回路，对于冷却水的进口的温度、调节阀进口的压力变化等干预会有很快速的抑制能力，所以这种副参数的选择时比较合适的；还有生产中加热炉对温度进行的串级控制，会选择炉膛温度用于副回路的副参数，可以对烟囱的抽力、燃料的成分和燃料的压力等变化的干预能起到快速的克服，也是比较有效的选择。所以，为了能使副回路充分的发挥出快速调节的作用，副参数必须要选择可测的在物理上、同时要对干预作用做出迅速的反应的工业参数用作副参数，这是必须要遵循的第一原则。

2.1.2 在副回路中应该多包含一些幅度大、变化频繁的干扰。为了使的串级控制对进入到副回路里的干扰能进行较强的抑制，在进行副参数的选择时，副回路中的应该尽可能多的包含干扰，其中对主参数影响严重、变化频繁且剧烈的干扰一定要在副回路中包含。但是同时应该注意干扰在副回路中包含的越多，副回路在调节通道上的关系一定会增加滞后，这样会会降低副回路对干扰克服的迅速性，会对控制质量的提高产生不利。所以，副回路不是包含的干扰越多就会越好。因此，即使是同一被控制过程，因为主要的干扰的不同，也会采用不同的方案进行串级控制。总体来说无论在什么情况下，在对副参数进行选择时都要使主要干扰包含在副回路中，这是必须要遵循的第二原则。

2.1.3 选择的主被控制过程和副被控制过程时间上的常数需要适当的匹配。从副参数的选择原则上来看，副被控制过程的时间常数要小才能使副回路有尽可能快的调节速度，但是如果副被控制过程在惯性的时间常数过分的减小，不但对整个系统的工作频率的提高不利，同时也会因为副被控制过程的太小的时间常数而使得副回路中的包含较少的干扰，这样有会对确保主被控量的控制质量产生不利影响，但是当祝被控制过程和副被控制过程之间的时间常数有较小的比时，又会出现较多的干扰包含在副回路之中，这样就会导致副回路不能对进入副回路的干扰进行及时的克服，出现副回路反应迟钝的现象。由以上可以看出，柱被控制过程和副被控制过程之间的时间常数应该匹配，他们之间的比值不能太小同时也不能够太大。由研究表明比值在3-10之间的范围比较合适。

2.1.4需要对控制质量和经济要求进行综合考虑。在对副参数进行选擇的时候一般会出现比较多的选择方案，在这个时候需要根据主参数的控制质量的要求以及经济要求进行综合考虑。比如由相同的冷却器可以构成两种不相同的串级控制流程，他们都是以被冷却物料在出口的温度为主被控参数，但是有两个可以被选择的副参数。如果副参数选择冷剂液，可以有较少的投资，适合对出口温度的控制质量有不高要求的时候；如果副参数选择冷剂的蒸发压力，则会投资较多，但是副回路会灵敏，有比较高的出口温度控制质量。在这种情况下需要根据具体情况进行选择。

2.2对主、副调节器的调节规律进行选择

主、副调节器在串级控制系统中起到不同的调节作用。主调节器在串级控制系统中的作用是定值控制，副调节器的作用是随动控制，以此为基本出发点进行调节规律的选择。

工艺操作的主要指标作为主被控参数，在波动范围上被允许的很小，一般是无静差要求，因此应该选择PI或者PID作为主调节器的调节规律。

为了对主要干扰对主参数产生的影响进行克服进行了副被控参数的设置，因此副被控参数在一定范围内允许变化，并且可以有静差。所以只需选择P作为副调节器的调节规律，积分调节规律一般不会引入，因为积分的调节规律会使得调节过程延长，使得副回路的快速作用减弱。但是也需要注意，如果选择流量作为副参数，则应该选择比例度较大的以保持系统的稳定，即有较弱的比例调节作用，在这种时候积分调节可以引入，也就是采用PI调节规律，可以使控制作用得到增强。微分调节规律一般不会引入副调节器，因为会使得调节阀的调节过于频繁或者调节的幅度过大，会不利于控制。

2.3对主、副调节器的正作用和反作用方式进行选择

在串级控制系统中对主、副调节器的正作用和反作用方式进行选择的方法是：第一调节阀的气开、气关形式是根据工艺要求进行决定的，同时决定副调节阀的正作用和反作用；第二主调节阀的正作用和负作用是根据主、副过程的正、反形式来确定的。

根据控制理论可以得知，为了正常稳定的运行一个控制系统，必须要采用副反馈的形式，也即是在保证系统总的开环的情况下放大系数使其为正。对于串级控制系统，也一样要以整个系统成为负反馈做为主、副调节器在正、反作用方式上进行选择所产生的结果，也就是说主回路在各环节上放大系数的乘积必须为正才可以。

参考文献：

[1]林屹，叶小岭. 模糊自校正PID液位串级控制系统设计与仿真[J]. 实验室研究与探索，2010，03：17-20.

[2]黄从智. 网络化串级控制系统的建模、分析与控制[D].华北电力大学（北京），2010.

[3]曾竞，谢又成. 基于模糊自整定PID的主汽温串级控制系统的设计[J]. 微计算机信息，2007，19：46-48.

[4]王国玉，韩璞，王东风，周黎辉. PFC-PID串级控制在主汽温控制系统中的应用研究[J]. 中国电机工程学报，2002，12：51-56.

[5]吴兴纯，赵金燕，杨秀莲，杨燕云. 基于PID参数自整定的炉温模糊串级控制系统设计[J]. 工业仪表与自动化装置，2011，05：94-98.