串级控制系统的PID应用——以加热炉温度控制为例

"PID串级控制讲解" PID（比例-积分-微分）控制是一种广泛应用的控制策略，占据了约90%的控制系统市场份额。它的主要特点是结构简洁，适应性强，适用于大多数工业控制需求。然而，面对大型化、复杂的工业过程，如存在严重耦合、时变非线性以及显著滞后的情况，单回路PID控制往往无法满足严格的过程控制要求。 为了解决这些问题，工业界发展了多种复杂控制系统，其中包括串级控制系统。串级控制系统的目的是提升响应曲线的性能指标，其基本思想是将一个控制回路的输出作为另一个控制回路的设定值，形成主控制器和副控制器的结构。这种设计能够有效地应对过程中的扰动和非线性特性。 以加热炉温度控制为例，加热炉内部温度控制是一个一阶加纯滞后的过程，对输入的变化响应慢且存在延迟。如果仅用燃料气流量的单回路PID控制，虽然能稳定燃料流量，但无法有效抵消如负荷变化或燃料燃烧值变化等因素导致的温度波动。同样，仅控制温度而不考虑流量，也不能确保温度恒定。 为改善这种情况，引入串级控制方案，其中温度控制器(TC)作为主控制器，燃料气流量控制器(FC)作为副控制器。当温度上升时，温度控制器降低流量控制器的设定值，从而减少燃料气流量，保持温度稳定。这种方式使得流量控制器的设定值随着温度的变化而动态调整，实现了温度和流量的闭环控制，提高了系统的控制精度和稳定性。 串级控制系统的结构通常包括主控制器(Gc)、副控制器(Gc1)、主对象(Gp1、Gp2)、副对象(Gv)以及控制阀。主控制器作用于副控制器的设定值，副控制器则通过控制阀来调节实际的操纵变量，如流量。这种架构使得系统能够更快速、准确地响应扰动，改善控制系统的动态性能。 PID串级控制系统是解决复杂工业过程控制问题的有效手段，尤其适用于具有显著滞后和非线性特性的过程。通过合理设计主、副控制器，可以显著提高系统的抗干扰能力和控制品质。