串级控制基础

当被控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一测量控制器性能更好。例如，考虑一下蒸汽给水加热器如侧栏所示，加热水与串级控制。在图A中，显示了一个传统的控制器，测量水箱内的温度，并操纵蒸汽阀的开度，以增加或减少热量，因为流入的水扰乱了水箱温度。如果蒸汽供应和蒸汽阀足够一致，每次控制器要求阀门开度再变化Y%时，水箱温度再变化X%，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储罐温度所需的时间。当其他储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，控制器必须打开阀门超过Y%，以实现储罐温度相同的X%变化。

或者,蒸汽阀随着时间的推移，摩擦会产生机械损伤。这将延长阀门打开到控制器要求的程度所需的时间，并减缓水箱温度随给定控制努力而变化的速度。

更好的方法

级联控制系统可以解决这两个问题，如图B所示，其中第二个控制器根据监测蒸汽流量的第二个传感器的测量值接管了操纵阀门开度的责任。现在，第一个控制器不再规定阀门应该开多宽，而是告诉第二个控制器它需要多少热量来表示期望的蒸汽流量。

然后，第二个控制器操纵阀门开度，直到蒸汽以要求的速率流动。如果该流量不足以产生所需的水箱温度，则第一个控制器可以要求更高的流量，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)。

这可能听起来像一个复杂的方法来实现与第一个控制器本身可以实现的相同的结果，但是级联控制系统应该能够在蒸汽流量受到干扰时提供更快的补偿。在原来的单控制器配置中，蒸汽供应压力的下降必须首先降低储罐温度，然后温度传感器才能注意到干扰。有了第二个控制器和第二个传感器，可以更快更精确地测量和保持蒸汽流量，使第一个控制器相信，无论蒸汽压力发生什么变化，它想要的蒸汽流量实际上都会得到。

第二个控制器还可以保护第一个控制器不受阀门性能恶化的影响。由于阀门磨损或磨损，可能仍然会减慢速度，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量维持在所需的水平上，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，第一个控制器会看到这个过程变得越来越慢。它可能仍然能够自己达到所需的储罐温度，但除非一个敏锐的操作员注意到这种影响，并重新调整它，使其对储罐温度的干扰做出更积极的反应，否则它也会变得越来越慢。

类似地，第二个控制器可以平滑阀门性能中的任何怪僻或非线性，例如关闭比打开更难的孔板。第二个控制器可能需要努力一点才能达到期望的蒸汽流量，但如果它能足够快地做到这一点，第一个控制器将永远不会看到阀门古怪行为的影响。

串级控制要素

级联控制框图显示了一个具有两个控制器、两个传感器和一个执行器的通用级联控制系统两个进程在系列。主控制器或主控制器产生一个控制工作，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工作直接应用于二级过程。然后，辅助过程生成一个辅助过程变量，作为对主要过程的控制。

这个框图的几何结构定义了一个包含二级控制器的内部回路和一个包含主控制器的外部回路。内环的功能类似于传统的反馈控制系统，具有设定值、过程变量和通过执行器作用于过程的控制器。外环做同样的事情，除了它使用整个内环作为执行器。

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。水箱内的水量、水箱温度、蒸汽和蒸汽流量分别为一次过程变量、一次过程变量、二次过程变量和二次过程变量(参见串级控制框图)。蒸汽流量控制器用来保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，它是有利的:

• 内环对外环有影响。从控制器的动作必须以可预测和可重复的方式影响主进程变量，否则主控制器将没有影响自己进程的机制。
• 内循环比外循环快。从进程对从控制器的响应速度必须比主进程对主控制器的响应速度至少快三到四倍。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小。否则，从控制器将不断地纠正对从进程的干扰，而不能对主进程施加一致的纠正努力。

在这个例子中，蒸汽给水加热器特别适合于级联控制，因为提高或降低蒸汽流量会提高或降低水箱温度，而不需要任何额外的执行器，与蒸汽加热大型水箱中的水的缓慢速度相比，阀门几乎可以立即控制蒸汽流量，并且对蒸汽供应压力的干扰相对较少，并且很容易由蒸汽流量控制器补偿。

串级控制框图

串级控制系统对蓝色表示的物理现象和绿色表示的过程数据作出反应。

以热水器为例:

• 设定点-水箱中所需的水的温度
• 主控制器(主)-测量水箱中的水温，并要求二次控制器提供更多或更少的热量
• 辅助控制器(从控制器)-直接测量和保持蒸汽流量
• 执行器-蒸汽流量阀
• 二次过程-供应管线中的蒸汽
• 内循环扰动-蒸汽供应压力的波动
• 初级工艺-水箱中的水
• 外环扰动-由于不受控制的环境条件引起的储罐温度波动，特别是流入温度的波动
• 二次工艺可变蒸汽流量
• 主过程可变水箱水温

挑战

串级控制也有它的缺点。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。串级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，如果内环调整过于激进，并且两个过程在相似的时间尺度上运行，则两个控制器可能相互竞争，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，或者调优迫使它比外部循环快，则不太可能出现这种情况。

当级联控制值得付出额外的努力和费用时，我们并不总是很清楚。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——但通常预测级联控制系统何时不起作用比预测何时起作用更容易。

万斯·范多伦，博士，体育博士控制工程贡献内容专家。打电话给他。controleng@msn.com．

关键概念:

• 当不止一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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