级联控制基础

当控制过程中有多个传感器可用于测量条件时，级联控制系统通常比传统的单测量控制器表现更好。例如，考虑蒸汽热水器如侧栏级联控制加热水所示。在图A中，一个传统的控制器测量罐内的温度，并控制蒸汽阀的打开，以增加或减少热量，因为流入的水扰乱了罐的温度。如果蒸汽供应和蒸汽阀门足够一致，每当控制器要求阀门开度再改变Y%时，罐温就会发生另一个X%的变化，这种安排就足够好了。

然而，有几个因素可能会改变X与Y的比例，或者在控制努力后改变罐温所需的时间。当其他罐正在减少它们共享的蒸汽供应时，蒸汽供应管道中的压力可能会下降，在这种情况下，控制器将不得不打开阀门超过Y%，以实现相同的X%罐温度变化。

或者,蒸汽阀随着时间的推移，摩擦会产生机械损伤，可能会开始粘在一起。这将延长阀门打开到控制器所要求的程度所需的时间，并减缓响应给定控制努力的储罐温度变化的速率。

更好的方法

如图B所示，级联控制系统可以解决这两个问题，其中第二个控制器已经接管了根据监测蒸汽流速的第二个传感器的测量来操纵阀门开度的责任。第一个控制器不再规定阀门应该打开多宽，而是根据期望的蒸汽流速告诉第二个控制器它需要多少热量。

然后，第二个控制器操纵阀门的开度，直到蒸汽以要求的速率流动。如果该速率不足以产生所需的罐温度，第一个控制器可以要求更高的流速，从而诱导第二个控制器提供更多的蒸汽和更多的热量(反之亦然)。

这听起来似乎是一种复杂的方式来实现与第一个控制器本身可以实现的相同结果，但级联控制系统应该能够在蒸汽流受到干扰时提供更快的补偿。在最初的单控制器安排中，蒸汽供应压力的下降必须首先降低水箱温度，然后温度传感器才能注意到扰动。通过第二个控制器和第二个传感器的工作，可以更快更精确地测量和保持蒸汽流量，使第一个控制器能够相信，无论蒸汽压力发生什么变化，它都可以得到它想要的蒸汽流量。

第二控制器还可以保护第一控制器免受阀门性能恶化的影响。当阀门磨损或卡住时，它可能仍然会减速，因此第二个控制器可能不得不更加努力地工作，但只要第二个控制器能够将蒸汽流速维持在所需的水平，第一个控制器就不会受到影响。

如果没有第二个控制器提供的加速度，第一个控制器将看到这个过程变得越来越慢。它可能仍然能够自己达到理想的油箱温度，但除非一个敏锐的操作员注意到这种影响并重新调整它，以更积极地应对油箱温度的扰动，否则它也会变得越来越慢。

类似地，第二个控制器可以消除阀门性能中的任何怪癖或非线性，例如关闭比打开更难的孔口。第二个控制器可能需要努力实现理想的蒸汽流速，但如果它能够足够快地做到这一点，那么第一个控制器将永远不会看到阀门古怪行为的影响。

级联控制要素

串级控制框图显示了一个通用的串级控制系统，有两个控制器，两个传感器和一个执行器两个进程在系列。主控制器或主控制器生成一个控制努力，作为辅助控制器或从控制器的设定值。该控制器反过来使用执行器将其控制效果直接应用到次要过程。然后，辅助流程生成一个辅助流程变量，作为主要流程的控制工作。

这个框图的几何结构定义了一个涉及次要控制器的内部循环和一个涉及主控制器的外部循环。内环的功能类似于传统的反馈控制系统，具有一个设定值、一个过程变量和一个通过执行器作用于过程的控制器。除了使用整个内环作为执行器外，外环也做同样的事情。

在热水器的例子中，水箱温度控制器将是主要的，因为它定义了蒸汽流量控制器需要达到的设定值。罐内的水、罐内温度、蒸汽和蒸汽流量分别为主要过程、主要过程变量、次要过程和次要过程变量(参见级联控制框图)。蒸汽流量控制器用来维持蒸汽流量的阀门作为执行器，直接作用于二次过程，间接作用于一次过程。

需求

当然，级联控制系统不能解决所有反馈控制问题，但在适当的情况下，它可以证明是有利的:

• 内环对外环有影响。次要控制器的动作必须以可预测和可重复的方式影响主要过程变量，否则主控制器将没有影响其自身过程的机制。
• 内环比外环快。辅助进程对辅助控制器的响应速度至少要比主进程对主控制器的响应速度快三到四倍。这使得辅助控制器有足够的时间在内环干扰影响主进程之前对其进行补偿。
• 内环扰动比外环扰动要小。否则，辅助控制器将不断修正对辅助进程的干扰，而无法对主要进程应用一致的修正努力。

如本例中所示的蒸汽热水器特别适合级联控制，因为提高或降低蒸汽流量可以提高或降低水箱温度，而无需任何额外的执行器，与蒸汽在大水箱中加热水的缓慢速度相比，阀门几乎可以瞬间操纵蒸汽流量，并且蒸汽供应压力的扰动相对较少，易于由蒸汽流量控制器补偿。

级联控制框图

级联控制系统对蓝色显示的物理现象和绿色显示的处理数据作出反应。

以热水器为例:

• 设定值-水箱中水的理想温度
• 主控制器(主控制器)-测量水箱中的水温，并要求辅助控制器提供更多或更少的热量
• 二级控制器(从)-直接测量和维持蒸汽流量
• 执行器-蒸汽流量阀
• 二次过程-蒸汽在供应线
• 内回路扰动-蒸汽供应压力波动
• 主要工序——水箱中的水
• 外回路扰动-由于不受控制的环境条件，尤其是流入温度的波动而引起的罐温波动
• 二次工艺变量——蒸汽流量
• 主工艺可变水箱水温

挑战

级联控制也有它的缺点。最值得注意的是，额外的传感器和控制器往往会增加整体设备成本。级联控制系统也比单测量控制器更复杂，需要两倍的调谐。然后，调优过程相当简单:首先调优辅助控制器，然后使用适用于单一测量控制器的相同调优工具调优主控制器。

然而，如果内环调优过于激进，并且两个进程在相似的时间尺度上运行，两个控制器可能会相互竞争，从而导致闭环系统不稳定。幸运的是，如果内部循环固有地比外部循环快，或者调优迫使它更快，这种情况就不太可能发生。

而且，级联控制何时值得额外的努力和费用并不总是很清楚。有几个典型的例子通常受益于级联控制——通常涉及流量作为次要过程变量——但通常更容易预测级联控制系统什么时候没有帮助，而不是预测它什么时候有帮助。

Vance VanDoren，博士，体育，是一个控制工程贡献内容专家。联络他的地址是controleng@msn.com．

关键概念:

• 当多个元素可以影响单个过程变量时，分别处理每个元素可以使过程更容易控制。
• 一个依赖于多个测量的过程变量可能需要多个控制器。

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