串級控制是通過主調(diào)節(jié)器器和外給定調(diào)節(jié)器進(jìn)行PID控制的方法。在級聯(lián)控制應(yīng)用中，除主控制器外，輸入外給定調(diào)節(jié)器的變量也需要測量和控制，以實(shí)現(xiàn)更好的控制效果，例如對系統(tǒng)的蒸汽流量進(jìn)行監(jiān)控和控制，實(shí)現(xiàn)對物體加熱的穩(wěn)定的溫度控制。
為什么采用串級控制？
對于精密應(yīng)用，很難通過一個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制同時(shí)又不對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。干擾因素可能會(huì)導(dǎo)致過大的控制超調(diào)，而且在緩慢的系統(tǒng)恢復(fù)過程中慣性也會(huì)帶來問題。這些問題的解決方法就是將兩個(gè)或多個(gè)調(diào)節(jié)器（每個(gè)控制器具有單獨(dú)的輸入）串聯(lián)形成一個(gè)單獨(dú)的調(diào)節(jié)裝置。
溫度控制應(yīng)用示例
乳制品巴氏殺菌在乳制品巴氏殺菌應(yīng)用中，加熱牛奶的水的溫度上升很快，但牛奶自身的溫度卻上升很慢，而且最關(guān)鍵的是牛奶不能過度加熱。傳統(tǒng)的單回路控制系統(tǒng)只配備一個(gè)傳感器，直接控制牛奶溫度：在牛奶溫度達(dá)到設(shè)定值前，水溫會(huì)不斷上升。然而采用單環(huán)路控制技術(shù)雖然能夠快速而高效地使牛奶到達(dá)設(shè)定值溫度，但是熱慣性會(huì)導(dǎo)致水溫超過牛奶溫度，繼續(xù)對牛奶加熱，引發(fā)溫度超調(diào)，最終嚴(yán)重影響牛奶質(zhì)量。解決這一難題需要使用串級控制技術(shù)，一個(gè)控制回路測量牛奶溫度，另一個(gè)控制回路測量水溫。串級控制系統(tǒng)通過記錄的不斷升高的牛奶溫度測量值，緩慢降低水溫，使牛奶保持穩(wěn)定加熱而不會(huì)產(chǎn)生溫度超調(diào)。
過程穩(wěn)定性在串級控制中外給定調(diào)節(jié)器快速變化所產(chǎn)生的干擾不會(huì)影響主調(diào)節(jié)器，從而使串級控制成為精密應(yīng)用的最理想解決方案。
應(yīng)用示例
工業(yè)樓宇供暖設(shè)施的熱交換器級聯(lián)控制避免溫度超調(diào)的另一個(gè)典型應(yīng)用是工業(yè)樓宇供暖設(shè)施中的熱交換器。在這一類型應(yīng)用中，工作人員一般會(huì)在主調(diào)節(jié)器上設(shè)置設(shè)定值溫度，然后控制系統(tǒng)將該溫度與實(shí)際溫度進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)控制。
最大輸入值會(huì)限制套管溫度。在啟動(dòng)時(shí)，主控制回路會(huì)將實(shí)際溫度與設(shè)定值溫度進(jìn)行比較，然后輸出最大值，作為從調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，然后從控制器將設(shè)定值與加熱器最大輸出的護(hù)套溫度相比較。當(dāng)套管溫度升高時(shí)，從控制器控制的加熱器輸出下降。實(shí)際溫度會(huì)以一定速率升高-該速率取決于套管與產(chǎn)品間的熱慣性。這會(huì)導(dǎo)致主調(diào)節(jié)器輸出下降，降低從調(diào)節(jié)器上的“套管”設(shè)定值，有效減小對加熱器的輸出。這一過程一直持續(xù)直到系統(tǒng)平衡。
一個(gè)單獨(dú)的多環(huán)控制器可以實(shí)現(xiàn)串級控制，主環(huán)路功率直接輸入到從環(huán)路中；也可以將兩個(gè)分離的調(diào)節(jié)器連接在一起，主控制器功率作為遠(yuǎn)程設(shè)定值輸入給到副調(diào)節(jié)器(外給定調(diào)節(jié)器)，并按比例縮放以滿足應(yīng)用溫度要求-副調(diào)節(jié)器(外給定調(diào)節(jié)器)的響應(yīng)時(shí)間在理想情況下應(yīng)當(dāng)至少比主調(diào)節(jié)器快5倍。
如何設(shè)置調(diào)節(jié)器，并調(diào)節(jié)串級控制
首先應(yīng)確定主環(huán)路和次級環(huán)路的變量與測量值之間的關(guān)系。次級控制環(huán)路必須能夠?qū)χ骺刂骗h(huán)路產(chǎn)生影響，對系統(tǒng)的任何干擾都應(yīng)當(dāng)作用在主控制環(huán)路上。
在應(yīng)用中配置串級控制時(shí)，關(guān)鍵是首先調(diào)節(jié)次級控制環(huán)。如果首先調(diào)節(jié)主控制環(huán)，則次級控制環(huán)的設(shè)定值會(huì)不斷的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)功能就會(huì)不斷重復(fù)計(jì)算，無法完成調(diào)節(jié)。正確的做法是為次級控制環(huán)路設(shè)置一個(gè)固定的設(shè)定值，接著對其他所有參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后調(diào)節(jié)主控制環(huán)，這時(shí)次級控制換的設(shè)定值便取決于主控制環(huán)路。
昌暉YR-GF系列調(diào)節(jié)器在串級控制中的應(yīng)用
YR-GF系列調(diào)節(jié)器功能全面，具有針對串級控制的專業(yè)算法，可以根據(jù)主、副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量和時(shí)間常數(shù)來自動(dòng)匹配最佳的控制曲線，適用于眾多應(yīng)用場合。以160×80mm外形、4-20mA輸出的調(diào)節(jié)器為例，主調(diào)節(jié)器選用單回路人工智能調(diào)節(jié)器(型號為YR-GAD805-020-23-HLNN-N-P-T)，副調(diào)節(jié)器選用外給定調(diào)節(jié)器(型號為YR-GAD815-020-12/23-HLNN-N-P-T)。
當(dāng)兩個(gè)或更多功能無法由一個(gè)設(shè)備完全控制時(shí)，兩個(gè)或更多控制設(shè)備的串級組合就為過程溫度控制提供了一種簡單但非常有效的解決方案。在很多應(yīng)用中，串級控制都可以極大地提升產(chǎn)品質(zhì)量，以及能源利用效率。
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