【深度】解析串级调节系统

最近陆续收到一些粉丝的提问（提问可加助理微信：happylife101010），都与串级调节系统有关。串级调节系统是在工业控制中常用的调节系统，但我们发现还是有很多人对串级调节系统的设置、特点及适用场合不太清楚。

比如下图就是一个实际应用中的串级调节系统，请问这个串级调节系统的意图是什么？是否合理？存在什么问题？

如果你不能很好地回答上面的问题，那么就请认真地学习一下这篇文章吧。

一、串级调节系统的概念

串级调节系统主要特征是有两个调节器，一个调节器的输出作为另一个调节器的给定，两个调节器之间互相串接；其组成除了两个调节器外还有两个变送器，一个执行器（调节阀）及对象。

下图为液位与流量串级调节系统：

液位与流量串级调节系统方块图如下图：

为了更好地理解，下面先介绍几个串级调节系统常用的名词：

• 主参数：串级调节系统中起主导作用的被调参数，即为主参数，如方块图中液位。

• 副参数：串级调节系统中为了稳定主参数或因某种需要而引入的辅助参数，也就是给定值随主调节器（液位调节器）的输出而变化的辅助被调参数称为副参数，如方块图中流量。

• 主调节器：按主参数对给定值的偏差而动作、其输出作为副参数给定值的调节器，称为主调节器（又名主导调节器），如方块图中的液位调节器。

• 副调节器：其给定值由主调节器的输出所决定，并按副参数对给定值的偏差而动作的调节器称为副调节器（又名随动调节器），如方块图中的流量调节器。

• 主回路：串级调节系统中断开副调节器后的整个外回路称为主回路。

• 副回路：处于串级调节系统里面的，由副参数、副调节器及其所包括的一部分对象等环节所组成的闭合回路称为副回路（又名随动回路）。

二、串级调节系统的特点

串级调节系统与单回路调节系统相比，在结构上增加了一个与之相联的副回路，因而具有以下特点：

1、串级调节系统由于副回路的快速作用，因而对于进入副回路的干扰具有很强的克服能力。

2、串级调节系统由于副回路起了改善对象特性的作用，因而可以提高系统的工作频率，调节时间较短，动态偏差较小，调节质量有所提高。

3、串级调节系统具有一定的自适应能力。串级调节系统就其主回路来看，它是一个定值调节系统，但其副回路却是一个随动系统，主调节器能按对象操作条件及负荷的变化而不断地纠正副调节器的给定值。从这点意义上来讲它具有一定的自适应能力。

三、串级调节系统的应用范围

从串级调节系统特点不难看出其优于单回路调节系统，但也有不足，与单回路调节系统相比，所用仪表较多，而且PID参数整定也比较麻烦，因此，在设计自动调节系统时，必须坚持一个原则，能用简单调节系统解决问题，就不要用复杂调节系统。

串级调节系统也不是任何情况下都能适用，只在某些情况下应用才有显著的效果。下面介绍几种常用场合：

1、对象的容量滞后比较大，用单回路调节时的过渡过程时间长、超调量大、参数恢复慢，因而调节质量不能满足要求时，可以采用串级调节系统。如下图反应器温度要求控制严格，反应器内物料温度控制，若采用冷却水进水流量调节，这样的单回路调节，如果冷却水进水压力波动势必影响流量波动、再引起物料温度波动，则需要较长的一段时间，造成调节不及时。采用反应器内物料温度与冷却水进水流量串级调节系统，一旦前述情况发生，流量调节系统立即开始调节，克服干扰，反应器内物料温度就不会引起大的波动。反应器物料温度与冷却水流量串级调节系统如下图：

2、调节对象纯滞后时间比较长，用单回路调节系统不能满足调节质量要求时，可以采用串级调节系统。一般工业调节对象都具有一定的纯滞后时间，如纯滞后时间比较长，可以在离调节阀比较近、纯滞后时间比较小的地方选择一个辅助参数，当干扰在它之前进入系统时，就可在影响主参数之前，及早在副参数上得到反映，副调节器及时采取措施来克服干扰。由于副回路的调节通道短、滞后小，因而调节作用的过调现象不显著，过渡过程的工作周期短，超调量也比较小。所以，整个副回路起了一个超前的调节作用，从而大大减少了主参数的波动。

3、系统内存在变化激励和幅值很大的干扰作用时，调节质量往往比较差。在这种情况下，为了提高系统的抗干扰能力，可以采用串级调节系统。注意一定要将大幅度激励变化的干扰纳入副回路中。

4、由于对象具有一定的非线性特性，当负荷变化较大时，单回路调节往往不能满足调节质量要求，这时可以采用串级调节系统。

5、当被调参数的给定值需要根据工艺情况经常改变时，就必须采用串级调节系统来实现自动校正其给定值的要求。这种情况应选择一个与被调参数直接相关的参数作为主参数构成串级调节系统。

设计人员需要深入研究工艺过程、原理、操作、控制对象特性等因素，来设计串级调节系统，以使其发挥应有的作用。

四、串级调节系统主、副回路的选择原则

一般情况下，主参数的选择与单回路调节时被调参数的选择原则是一样的，凡能直接或间接地表征生产过程质量的参数都可以作为调节系统的被调参数。主参数确定后，副回路的选择是串级调节效果的关键因素，一般有以下几个原则供参考：

1、副回路应该将生产中的主要干扰包括在内。

2、应力求把更多的干扰包括在副回路内。

3、选择副参数时，应注意使副参数的给定值与主参数之间有一定的单向关系，否则，串级调节是不可能实现的。

4、副回路的选择应考虑它在工艺上的合理性和实现起来的可能性与经济性。

5、对因副参数给定值需要自动校正而采用串级调节的系统中，主、副参数的选择应该根据工艺要求来确定，主参数应能及时反映变化的操作条件，而副参数必须精确地、快速地跟踪主调节器的输出而变化。

五、串级调节系统中主、副调节器的选择原则

串级调节系统的应用越来越广泛，主、副参数匹配形式也很多，其作用和要求也不完全相同，因而对主、副调节规律的选择也得分别情况予以恰当处理。

第一种情况：

主参数是工艺操作的重要指标，其允许波动范围很小，更不允许有余差存在，而副回路的引入完全是为了保证主参数的稳定，它本身可以在较大的范围内变化。这类串级调节系统是比较常见的。为了保证主参数调节质量，主调节器常用比例积分调节，有时为了克服对象的容量滞后及提高主参数的调节质量，也常引入微分作用。而副参数由于要求不高，一般选用比例作用就能满足要求，如果引入积分作用，则反而可能影响副回路的快速作用。

第二种情况：

对主参数的调节质量要求比较高，同时对副参数的调节质量也有一定要求。这样，主调节器、副调节器均应引入积分作用。由于副调节器的给定值本身就是一个变参数，如果主调节器输出的变化剧烈，即使副调节器具有积分作用，副参数也仍然不能稳定在工艺给定的数值。对于这类串级调节系统，在参数整定时应予以充分注意。

第三种情况：

对主参数的调节质量要求不太高，允许它在一定范围内波动，但却要求副参数能快速、精确地随主调节器的输出变化而调节。对此，主调节器可采用比例作用，而副调节器应该用比例积分调节。

第四种情况：

对主参数的调节质量要求不十分严格，对副参数的要求也不高，而是为了使两者互相兼顾而采用串级调节。这种情况下主、副调节器都可用比例调节作用，但有时为了不使主参数偏离给定值太远，主调节器也常用比例、积分作用。

主、副调节器选择原则不是绝对的准则，应根据实际需要和效果来适当处理。

六、小结

以上我们介绍了串级调剂系统的概念、特点、应用范围、主副回路和调节器的选择原则等。请再回过头看文章开头的那个问题，你会回答了吗？

本文属于原创，如需转载请联系原作者。

作者简介：

邱老师，自控学堂创办人，教授级高级工程师、从事自控工程设计30余年，先后承担了几十个大中型工程项目的设计、施工安装指导、调试开车及新技术开发等工作，是国家科技进步一等奖获得者，获国务院特殊津贴、行业工程设计大师等荣誉称号，国家科技进步奖评审专家。

关于自控学堂：

让我们一起成为自控高手吧！