串级控制系统口诀解读

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对于串级控制系统的理解，仪表工是用口诀这样说的：“串级系统有何难？主副回路内外环；主调输出送副调，副调主调信号串；副环粗调动作快，主环细调严把关；主副调节协调好，调节品质超简单。”

口诀中：“串级系统有何难?”是指学习方法，因为复杂控制系统是以简单控制系统为前提的，在掌握了简单控制系统的基础上来学习复杂控制系统就不难了。

现结合实例来进一步理解口诀的含义。上图是个加热炉炉温的单回路控制系统。当负荷变化而引起炉温改变时，经温度传感器、PID调节器和调节阀V构成的控制系统，改变燃油量Q以平衡负荷的变化，而使炉温保持不变。但如果燃油的进口压力波动较大且波动频繁时，将会引起炉温的大幅度变化，为克服燃油压力波动带来的干扰，可以先构建一个燃油量的控制系统来消除油压的波动，而把炉温温控仪(单回路PID控制器)的输出作为流量调节器(外给定调节器)Q的给定值，形成回路，使流量调节器按炉温控制的需要而工作，构成了串级控制系统。

结合口诀先来看看串级控制系统方框图。从串级控制系统方框图中可看出：“主调输出送副调，副调主调信号串”。所谓串级控制，就是用两个PID调节器串联在一起进行控制，主调(单回路PID调节器)的输出作为副调(外给定调节器)的给定，这也是串级控制系统名称的来历。

串级控制系统中副回路因为在主回路之内，所以称为副环，主回路则称为外环，这就是口诀中的：“主、副回路内外环”。其中主回路是由主变送器、主控制器、执行器、主对象构成的一个闭合回路，也就是副回路反馈断开后的整个回路。副回路是由副变送器、副控制器、执行器、副对象构成的闭合回路。这样就有了主、副参数之分，主参数就是在串级控制系统中起主导作用的被调参数，即生产中的重要工艺指标。而副参数就是影响主参数的主要变量或者是为了满足某种关系的需要而引人的中间变量。这样根据主、副参数也就可以确定系统的主、副对象及相应的主副变送器了。

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串级控制当系统的稳定状态受到外界干扰，而使主、副参数偏离给定值时，通过主、副控制器来克服外界干扰，使系统恢复到新的稳定状态。根据干扰施加点的位置不同，其可分为三种情况，结合图例看仪表工是怎样用口诀对其进行说明的：
1、若由于燃油压力发生变化时，干扰将作用于副回路，这时副控制器便立即进行调节，即较小的干扰，经副控制器的调节后，一般影响不到炉温的变化。当干扰较大时，进而影响到主参数时，则主控制器也投入调节过程，这时主、副控制器一起来调节，就加速了克服干扰的控制过程。使炉温尽快回复到给定值上。这过程就如口诀说的：“小干扰，副回消灭掉；大干扰，副环抢先调，剩微量，主、副一起调，调得速度快，过程质量高”。

2、假如加热炉由于外界因素或炉内工况发生变化，使炉温受干扰而偏离给定值时，即干扰作用于主回路时，主控制器的输出便发生变化，使副控制器的给定值变化，副控制器将根据偏差来改变调节阀的开度，以使炉温尽快回到给定值上。这就是：“主调发命令，副调及时调，通道缩短了，过程品质好”。

3、干扰同时作用于主、副回路时，就用：“主、副同变化，副调偏差大；主、副反变化，副调小偏差，根据偏差值，控制调节阀，调节速度快，过程品质佳”。原因是：在干扰作用下，主、副参数同向变化时，副控制器所承受的偏差为主、副参数两者之合，所以偏差值较大；当主、副参数反向变化时，控制器所承受的偏差为主、副参数两者作用之差，所以偏差值较小；但不管偏差是增大还是减小，其结果都是加快控制过程，而使主、副参数快速回复并稳定在给定值上。

通过以上口诀可以看出，串级控制系统由于两个调节器串联在一起工作，又引入了一个闭合的副回路，因此，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主回路的干扰也能加快控制的速度。由于副回路具有先调、快调、粗调的特点，而主回路则具有后调、慢调、细调的特点，对于副回路没有克服掉的，但也大大削弱的干扰能彻底的克服掉。这就是口诀说的：“副环粗调动作快，主环细调严把关，主副调节协调好，调节品质超‘简单’”。