通过串级控制提升控制质量

2018/3/28 13:28:24 人评论次浏览分类：过程控制文章地址：//ny-tec.com/tech/1881.html

什么是串级控制？
串级控制是通过主调节器器和外给定调节器进行PID控制的方法。在级联控制应用中，除主控制器外，输入外给定调节器的变量也需要测量和控制，以实现更好的控制效果，例如对系统的蒸汽流量进行监控和控制，实现对物体加热的稳定的温度控制。

为什么采用串级控制？
对于精密应用，很难通过一个设备进行控制同时又不对产品质量产生影响。干扰因素可能会导致过大的控制超调，而且在缓慢的系统恢复过程中惯性也会带来问题。这些问题的解决方法就是将两个或多个调节器（每个控制器具有单独的输入）串联形成一个单独的调节装置。

温度控制应用示例
乳制品巴氏杀菌在乳制品巴氏杀菌应用中，加热牛奶的水的温度上升很快，但牛奶自身的温度却上升很慢，而且最关键的是牛奶不能过度加热。传统的单回路控制系统只配备一个传感器，直接控制牛奶温度：在牛奶温度达到设定值前，水温会不断上升。然而采用单环路控制技术虽然能够快速而高效地使牛奶到达设定值温度，但是热惯性会导致水温超过牛奶温度，继续对牛奶加热，引发温度超调，最终严重影响牛奶质量。解决这一难题需要使用串级控制技术，一个控制回路测量牛奶温度，另一个控制回路测量水温。串级控制系统通过记录的不断升高的牛奶温度测量值，缓慢降低水温，使牛奶保持稳定加热而不会产生温度超调。
乳制品巴氏杀菌串级温度控制

过程稳定性在串级控制中外给定调节器快速变化所产生的干扰不会影响主调节器，从而使串级控制成为精密应用的最理想解决方案。

应用示例
工业楼宇供暖设施的热交换器级联控制避免温度超调的另一个典型应用是工业楼宇供暖设施中的热交换器。在这一类型应用中，工作人员一般会在主调节器上设置设定值温度，然后控制系统将该温度与实际温度进行比较，实现控制。

最大输入值会限制套管温度。在启动时，主控制回路会将实际温度与设定值温度进行比较，然后输出最大值，作为从调节器的设定值，然后从控制器将设定值与加热器最大输出的护套温度相比较。当套管温度升高时，从控制器控制的加热器输出下降。实际温度会以一定速率升高-该速率取决于套管与产品间的热惯性。这会导致主调节器输出下降，降低从调节器上的“套管”设定值，有效减小对加热器的输出。这一过程一直持续直到系统平衡。

一个单独的多环控制器可以实现串级控制，主环路功率直接输入到从环路中；也可以将两个分离的调节器连接在一起，主控制器功率作为远程设定值输入给到副调节器(外给定调节器)，并按比例缩放以满足应用温度要求-副调节器(外给定调节器)的响应时间在理想情况下应当至少比主调节器快5倍。

如何设置调节器，并调节串级控制
首先应确定主环路和次级环路的变量与测量值之间的关系。次级控制环路必须能够对主控制环路产生影响，对系统的任何干扰都应当作用在主控制环路上。

在应用中配置串级控制时，关键是首先调节次级控制环。如果首先调节主控制环，则次级控制环的设定值会不断的变化，自动调节功能就会不断重复计算，无法完成调节。正确的做法是为次级控制环路设置一个固定的设定值，接着对其他所有参数进行调节，然后调节主控制环，这时次级控制换的设定值便取决于主控制环路。

昌晖YR-GF系列调节器在串级控制中的应用
YR-GF系列调节器功能全面，具有针对串级控制的专业算法，可以根据主、副回路中包含的扰动数量和时间常数来自动匹配最佳的控制曲线，适用于众多应用场合。以160×80mm外形、4-20mA输出的调节器为例，主调节器选用单回路人工智能调节器(型号为YR-GAD805-020-23-HLNN-N-P-T)，副调节器选用外给定调节器(型号为YR-GAD815-020-12/23-HLNN-N-P-T)。