串级控制系统详解：化工仪表自动化中的复杂控制

"该文档是关于化工仪表及其自动化控制中的第八章复杂控制系统，重点讲解了串级控制系统、均匀控制系统、比值控制系统、分程控制系统和前馈控制系统等。" 在化工生产过程中，复杂的控制系统对于确保工艺参数的稳定性和提高生产效率至关重要。其中，串级控制系统是一种常见的解决方案，尤其在应对具有大滞后和时间常数的对象时，能够显著提升控制效果。串级控制系统的构成包括主变量和副变量，主对象和副对象，以及主控制器和副控制器。这种系统由两个相互关联的回路组成，即主回路和副回路。 串级控制系统的目的是克服单回路控制的局限性。例如，当目标是稳定塔釜温度时，单回路控制可能无法有效处理蒸汽压力等强烈干扰。方案一虽然能包容所有对温度的干扰，但面对大滞后时控制质量不佳。方案二虽然能快速响应蒸汽压力变化，但对其他因素如进料流量、物料温度的干扰无能为力。串级控制系统则兼顾两者，既能及时调整蒸汽流量以抵消蒸汽压力波动，也能适应进料流量等其他因素的影响，保持塔釜温度稳定。 串级控制系统的工作原理在于，副回路首先快速调整，对作用于副对象的干扰进行初步补偿，而主回路则进行后续精细调整，以消除任何残余影响。副回路对快速变化的干扰有超前控制作用，能有效应对蒸汽压力变化，主回路则负责长期稳定主变量，如塔釜温度。 串级控制系统的特点包括： 1. 系统结构上有两个闭合回路，分别对应主变量和副变量，两个控制器分别负责各自回路的控制，且有测量主、副变量的变送器。 2. 主回路作为定值控制系统，维持主变量（如产品质量关键参数）在设定值，而副回路为随动控制系统，跟随主回路的需求调整副变量。 3. 引入副回路提高了系统整体的动态响应，减少了滞后，提升了控制质量。 串级控制系统的应用广泛，特别是在滞后大、时间常数大的对象以及受到强烈频繁干扰的生产环节。比如在塔类设备的温度和流量控制、化学反应过程的控制等，串级控制都能提供更优的控制性能。此外，均匀控制系统用于保持过程流体的均匀分布，比值控制系统处理两种或多种物料的流量比，分程控制系统则可以根据不同工况切换不同操作区间，前馈控制系统通过预测性控制提前抵消预期干扰。这些控制系统都是化工自动化中不可或缺的部分，旨在优化生产过程，提高效率并确保安全。