从串级控制应用案例中总结串级控制应用经验

从串级控制应用案例中总结串级控制应用经验

串级控制是一种通过引入额外测量值来优化控制性能的策略。本文通过阀门定位器和换热器两个实际案例，深入解析了串级控制的工作原理及其在工业过程控制中的应用经验。

阀门定位器案例

阀门定位器是一种运动控制装置，通过比较阀杆位置与控制输出的偏差，调节执行机构隔膜或活塞的压力，以实现精确的阀杆定位。这种带定位器的气动阀控制回路是常见的串级控制回路。

图1 阀门定位器示意图

定位器在串级控制中扮演副回路的角色，其核心功能是克服气动系统中的压力变化和非线性影响，确保调节阀性能优良并严格服从指令信号。在实际应用中，由于副回路的闭环特性远快于主回路，因此在整定PID参数时，通常无需特别考虑副回路的影响。

换热器控制案例

换热器控制系统的目标是通过调节蒸汽流量来控制出口温度。图2所示的串级控制结构中，副回路负责蒸汽流量控制，主回路的输出作为副回路的设定值。这种设计能够有效减小阀门非线性以及蒸汽压力扰动对出口温度的影响。

图2 换热器出口温度串级控制

串级控制总结

串级控制采用标准PID算法，易于理解和实施。副控制器需要具备“串级”模式，当处于该模式时，其设定值由主控制器直接控制。这种控制结构类似于项目管理中的任务委派，副回路负责处理细节，主回路关注整体目标。

串级控制的优势在于能够快速响应和补偿干扰，特别是在副回路动态特性远快于主回路的情况下。然而，串级控制并非万能，其应用需要满足一定的条件，例如最终控制元件和干扰测量值之间需要存在因果关系。

实际应用建议

• 选择合适的副回路变量：确保副回路过程变量的响应速度明显快于主回路。
• 评估传感器需求：如果现有系统缺乏必要的副回路传感器，应评估添加传感器的可行性。
• 考虑因果关系：确保最终控制元件和干扰测量值之间存在明确的因果关系。

串级控制作为一种分布式决策方法，在工程控制领域具有广泛的应用前景。虽然其实施需要满足特定条件，但在适用场景下，串级控制能够显著提升系统的控制性能。