串级控制是一种利用额外测量值来提高控制性能的有效控制策略。下面昌晖仪表介绍一些串级控制应用案例。

1、阀门定位器
图1所示阀门定位器是一种通过比较阀杆位置与控制输出的偏差来调节执行机构隔膜或活塞的压力，直到达到正确的阀杆位置的运动控制装置。带定位器气动阀的控制回路是一种非常常见的串级控制回路。副回路减小了气动系统中的压力变化和各种非线性对主过程变量的影响。


图1 阀门定位器示意图

定位器本质上充当副回路，阀门的阀杆位置是副过程变量，向定位器发出的指令信号是设定值，定位器向阀门执行器发出的信号是操纵变量或控制器输出。因此，当过程控制器向配备定位器的阀门发送指令信号时，定位器接收该指令信号，并根据需要向执行器施加尽可能大或尽可能小的气压，以实现所需的阀杆位置。因此，定位器将克服干扰确保调节阀性能优良并服从指令信号。

带阀门定位器的气动调节阀是过程控制中最常用的最终控制元件，所以可以说“无处不串级”。很多人对如何整定串级控制非常困惑，但是实际上整定的每个控制回路都是串级控制的主回路，为什么在实际工作中我们从来没有为此感到困惑呢？这主要是副回路的闭环特性要比主回路的闭环特性快很多，根本不需要考虑副回路的影响，而且在进行主回路PID参数整定时广义被控对象已经包括了副回路的闭环特性。串级控制PID参数整定只要注意主副回路合理地选择λ即可。

2、换热器
换热器控制系统的目的是通过改变蒸汽调节阀来控制出口温度，图2所示的控制系统采用串级控制。副回路是蒸汽流量控制系统，主回路的控制器输出为蒸汽流量控制器的设定值。副控制器减小了阀门的非线性以及蒸汽流量和蒸汽压力扰动对出口温度的影响。一般说来，串级控制总可以带来比单回路更优的控制性能。


图2  换热器出口温度串级控制

串级控制总结
串级控制使用标准PID控制算法，操作员非常容易理解。副控制器需要一个附加功能，除了常见的自动模式和手动模式之外，还需要一个新的控制模式，称为“串级”。当控制模式处于串级时，副控制器的设定值连接至主控制器输出，在这种控制模式下，操作员无法调整副控制器的设定值。当控制模式处于自动或手动时，副控制器的设定值由操作员提供，在这种情况下，串级控制模式不起作用。

昌晖仪表网用数篇文章介绍串级控制的原理以及串级控制在抗干扰方面的优良性能。串级控制采用反馈控制原理，因为副回路的过程变量是以因果方式依赖于操纵变量。当副回路的动态(主要是纯滞后时间)比主回路快得多时，串级控制可以显著提高闭环控制性能。在这种情况下，可以快速测量和补偿某些干扰，在降低扰动对操纵变量影响的同时，实现过程变量的性能改进。基于这种性能改进和实现的简单性，建议将串级控制作为第一个潜在的单回路改进方案进行评估。

将串级控制类比为项目管理或者社会管理工作的委派。如果主管将某些任务委派给下属，并且该下属在不需要主管进一步指导或帮助的情况下执行该任务，则主管的工作会变得更容易。下属负责所有小细节，否则如果主管没有人可以委派，这些细节会给主管带来负担。这个类比也清楚地表明了为什么副回路过程变量必须比主回路过程变量响应得更快：如果主管保持长期对目标的不关注(即比给予下属的任务完成时间更长的时间)，则主管-下属管理结构将无法工作；如果主管专注于实现的目标比下属完成任务所需的时间短，主管将不可避免地不断进行委派任务的更新，这些委派对于下属来说太快了，这将导致下属“滞后”于主管的指令，损害大家的满意度和长期目标。慢性子的主管和急脾气的下属可能造成总体目标长期不能完成，急脾气的主管和慢性子的下属则可能造成冲突和反复。

串级控制本质上是一种将决策权下放的方法。串级控制的概念不仅限于工程控制系统，社会和商业组织也受益于分布式决策。分布式系统的功能肯定比单回路反馈方法更好，然而串级控制并非普遍适用。如果合适，则选择最优副回路过程变量。如果不可能立即进行，并且需要显著改善控制性能，工程师应调查添加必要的副回路传感器的可能性。即使有测量仪表，串级也不一定总是可能的。例如，最终控制元件和指示干扰的测量值之间可能不存在因果关系。因此，虽然串级控制通常是提高控制性能的首选方法，但还是需要其他改进方法。