串级控制：原理与应用实例解析

串级控制系统是一种复杂的工业过程控制策略，它由两个相互关联的控制器构成，旨在提高系统的稳定性并减少主要控制变量的扰动影响。该控制系统的核心原理是通过一个主控制器来管理一个关键的“主变量”，同时利用一个副控制器来间接控制一个“副变量”，以维持主变量的稳定。 在加热炉温度控制系统中，串级控制的应用具体表现为： 1. **基本结构**： - 主控制器负责控制主要的被控变量，如原料油出口温度，它的输出决定副控制器的工作参数。 - 副控制器则负责控制操纵变量，例如燃料流量，以补偿主变量受到的扰动影响。 2. **控制方案比较**： - **方案1**：仅依赖温度控制器来应对所有扰动，可能导致主变量波动大，反应速度慢。 - **方案2**：设计了燃料流量控制系统，可以部分抵消阀前压力影响，但对温度的控制是开环的，扰动如燃料成分变化会直接影响温度控制效果。 - **方案3**：采用串级结构，主控制器首先稳定燃料流量，当遇到温度扰动时，通过调整副控制器设定值来快速响应，提高了系统的动态性能。 3. **控制系统方框图**： - 显示了系统的主要组件，包括温度控制器（TC）、流量控制器（FC）、执行器、测量变送器以及各种扰动源。 - 主变量与副变量之间的互动明确，主控制器根据主变量的实际值和设定值工作，副控制器则根据主控制器的输出调整副变量，以保持主变量的稳定。 4. **关键概念**： - **主变量**：如原料油出口温度，是控制的主要目标。 - **副变量**：如燃料流量，用于辅助稳定主变量。 - **主对象**：工艺设备，如从原料到炉出口的部分，决定了主变量的特性。 - **副对象**：辅助设备，如执行器至流量检测点的环节，影响副变量。 通过串级控制，工程师能够更有效地管理复杂过程中的不确定性，提高系统的精度和响应速度，确保生产过程的稳定和高效。这种控制策略广泛应用于化工、电力、石油等工业领域，对于大型和高精度过程控制至关重要。