比如下圖就是一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，請(qǐng)問(wèn)這個(gè)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的意圖是什么？是否合理？存在什么問(wèn)題？

如果你不能很好地回答上面的問(wèn)題，那么就請(qǐng)認(rèn)真地學(xué)習(xí)一下這篇文章吧。

一、串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的概念

串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要特征是有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定，兩個(gè)調(diào)節(jié)器之間互相串接；其組成除了兩個(gè)調(diào)節(jié)器外還有兩個(gè)變送器，一個(gè)執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）及對(duì)象。

下圖為液位與流量串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)：

液位與流量串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)方塊圖如下圖：

為了更好地理解，下面先介紹幾個(gè)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)常用的名詞：

• 主參數(shù)：串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被調(diào)參數(shù)，即為主參數(shù)，如方塊圖中液位。

• 副參數(shù)：串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主參數(shù)或因某種需要而引入的輔助參數(shù)，也就是給定值隨主調(diào)節(jié)器（液位調(diào)節(jié)器）的輸出而變化的輔助被調(diào)參數(shù)稱為副參數(shù)，如方塊圖中流量。

• 主調(diào)節(jié)器：按主參數(shù)對(duì)給定值的偏差而動(dòng)作、其輸出作為副參數(shù)給定值的調(diào)節(jié)器，稱為主調(diào)節(jié)器（又名主導(dǎo)調(diào)節(jié)器），如方塊圖中的液位調(diào)節(jié)器。

• 副調(diào)節(jié)器：其給定值由主調(diào)節(jié)器的輸出所決定，并按副參數(shù)對(duì)給定值的偏差而動(dòng)作的調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器（又名隨動(dòng)調(diào)節(jié)器），如方塊圖中的流量調(diào)節(jié)器。

• 主回路：串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中斷開(kāi)副調(diào)節(jié)器后的整個(gè)外回路稱為主回路。

• 副回路：處于串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)里面的，由副參數(shù)、副調(diào)節(jié)器及其所包括的一部分對(duì)象等環(huán)節(jié)所組成的閉合回路稱為副回路（又名隨動(dòng)回路）。

二、串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)

串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)與單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)與之相聯(lián)的副回路，因而具有以下特點(diǎn)：

1、串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于副回路的快速作用，因而對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾具有很強(qiáng)的克服能力。

2、串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于副回路起了改善對(duì)象特性的作用，因而可以提高系統(tǒng)的工作頻率，調(diào)節(jié)時(shí)間較短，動(dòng)態(tài)偏差較小，調(diào)節(jié)質(zhì)量有所提高。

3、串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)就其主回路來(lái)看，它是一個(gè)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，但其副回路卻是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器能按對(duì)象操作條件及負(fù)荷的變化而不斷地糾正副調(diào)節(jié)器的給定值。從這點(diǎn)意義上來(lái)講它具有一定的自適應(yīng)能力。

三、串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

從串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)特點(diǎn)不難看出其優(yōu)于單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，但也有不足，與單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，所用儀表較多，而且PID參數(shù)整定也比較麻煩，因此，在設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，必須堅(jiān)持一個(gè)原則，能用簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)解決問(wèn)題，就不要用復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)也不是任何情況下都能適用，只在某些情況下應(yīng)用才有顯著的效果。下面介紹幾種常用場(chǎng)合：

1、對(duì)象的容量滯后比較大，用單回路調(diào)節(jié)時(shí)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、超調(diào)量大、參數(shù)恢復(fù)慢，因而調(diào)節(jié)質(zhì)量不能滿足要求時(shí)，可以采用串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。如下圖反應(yīng)器溫度要求控制嚴(yán)格，反應(yīng)器內(nèi)物料溫度控制，若采用冷卻水進(jìn)水流量調(diào)節(jié)，這樣的單回路調(diào)節(jié)，如果冷卻水進(jìn)水壓力波動(dòng)勢(shì)必影響流量波動(dòng)、再引起物料溫度波動(dòng)，則需要較長(zhǎng)的一段時(shí)間，造成調(diào)節(jié)不及時(shí)。采用反應(yīng)器內(nèi)物料溫度與冷卻水進(jìn)水流量串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一旦前述情況發(fā)生，流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)立即開(kāi)始調(diào)節(jié)，克服干擾，反應(yīng)器內(nèi)物料溫度就不會(huì)引起大的波動(dòng)。反應(yīng)器物料溫度與冷卻水流量串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)如下圖：

2、調(diào)節(jié)對(duì)象純滯后時(shí)間比較長(zhǎng)，用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能滿足調(diào)節(jié)質(zhì)量要求時(shí)，可以采用串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。一般工業(yè)調(diào)節(jié)對(duì)象都具有一定的純滯后時(shí)間，如純滯后時(shí)間比較長(zhǎng)，可以在離調(diào)節(jié)閥比較近、純滯后時(shí)間比較小的地方選擇一個(gè)輔助參數(shù)，當(dāng)干擾在它之前進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，就可在影響主參數(shù)之前，及早在副參數(shù)上得到反映，副調(diào)節(jié)器及時(shí)采取措施來(lái)克服干擾。由于副回路的調(diào)節(jié)通道短、滯后小，因而調(diào)節(jié)作用的過(guò)調(diào)現(xiàn)象不顯著，過(guò)渡過(guò)程的工作周期短，超調(diào)量也比較小。所以，整個(gè)副回路起了一個(gè)超前的調(diào)節(jié)作用，從而大大減少了主參數(shù)的波動(dòng)。

3、系統(tǒng)內(nèi)存在變化激勵(lì)和幅值很大的干擾作用時(shí)，調(diào)節(jié)質(zhì)量往往比較差。在這種情況下，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，可以采用串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。注意一定要將大幅度激勵(lì)變化的干擾納入副回路中。

4、由于對(duì)象具有一定的非線性特性，當(dāng)負(fù)荷變化較大時(shí)，單回路調(diào)節(jié)往往不能滿足調(diào)節(jié)質(zhì)量要求，這時(shí)可以采用串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

5、當(dāng)被調(diào)參數(shù)的給定值需要根據(jù)工藝情況經(jīng)常改變時(shí)，就必須采用串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校正其給定值的要求。這種情況應(yīng)選擇一個(gè)與被調(diào)參數(shù)直接相關(guān)的參數(shù)作為主參數(shù)構(gòu)成串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)人員需要深入研究工藝過(guò)程、原理、操作、控制對(duì)象特性等因素，來(lái)設(shè)計(jì)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以使其發(fā)揮應(yīng)有的作用。

四、串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主、副回路的選擇原則

一般情況下，主參數(shù)的選擇與單回路調(diào)節(jié)時(shí)被調(diào)參數(shù)的選擇原則是一樣的，凡能直接或間接地表征生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量的參數(shù)都可以作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)。主參數(shù)確定后，副回路的選擇是串級(jí)調(diào)節(jié)效果的關(guān)鍵因素，一般有以下幾個(gè)原則供參考：

1、副回路應(yīng)該將生產(chǎn)中的主要干擾包括在內(nèi)。

2、應(yīng)力求把更多的干擾包括在副回路內(nèi)。

3、選擇副參數(shù)時(shí)，應(yīng)注意使副參數(shù)的給定值與主參數(shù)之間有一定的單向關(guān)系，否則，串級(jí)調(diào)節(jié)是不可能實(shí)現(xiàn)的。

4、副回路的選擇應(yīng)考慮它在工藝上的合理性和實(shí)現(xiàn)起來(lái)的可能性與經(jīng)濟(jì)性。

5、對(duì)因副參數(shù)給定值需要自動(dòng)校正而采用串級(jí)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)中，主、副參數(shù)的選擇應(yīng)該根據(jù)工藝要求來(lái)確定，主參數(shù)應(yīng)能及時(shí)反映變化的操作條件，而副參數(shù)必須精確地、快速地跟蹤主調(diào)節(jié)器的輸出而變化。

五、串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器的選擇原則

串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，主、副參數(shù)匹配形式也很多，其作用和要求也不完全相同，因而對(duì)主、副調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇也得分別情況予以恰當(dāng)處理。

第一種情況：

主參數(shù)是工藝操作的重要指標(biāo)，其允許波動(dòng)范圍很小，更不允許有余差存在，而副回路的引入完全是為了保證主參數(shù)的穩(wěn)定，它本身可以在較大的范圍內(nèi)變化。這類串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是比較常見(jiàn)的。為了保證主參數(shù)調(diào)節(jié)質(zhì)量，主調(diào)節(jié)器常用比例積分調(diào)節(jié)，有時(shí)為了克服對(duì)象的容量滯后及提高主參數(shù)的調(diào)節(jié)質(zhì)量，也常引入微分作用。而副參數(shù)由于要求不高，一般選用比例作用就能滿足要求，如果引入積分作用，則反而可能影響副回路的快速作用。

第二種情況：

對(duì)主參數(shù)的調(diào)節(jié)質(zhì)量要求比較高，同時(shí)對(duì)副參數(shù)的調(diào)節(jié)質(zhì)量也有一定要求。這樣，主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器均應(yīng)引入積分作用。由于副調(diào)節(jié)器的給定值本身就是一個(gè)變參數(shù)，如果主調(diào)節(jié)器輸出的變化劇烈，即使副調(diào)節(jié)器具有積分作用，副參數(shù)也仍然不能穩(wěn)定在工藝給定的數(shù)值。對(duì)于這類串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在參數(shù)整定時(shí)應(yīng)予以充分注意。

第三種情況：

對(duì)主參數(shù)的調(diào)節(jié)質(zhì)量要求不太高，允許它在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但卻要求副參數(shù)能快速、精確地隨主調(diào)節(jié)器的輸出變化而調(diào)節(jié)。對(duì)此，主調(diào)節(jié)器可采用比例作用，而副調(diào)節(jié)器應(yīng)該用比例積分調(diào)節(jié)。

第四種情況：

對(duì)主參數(shù)的調(diào)節(jié)質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，對(duì)副參數(shù)的要求也不高，而是為了使兩者互相兼顧而采用串級(jí)調(diào)節(jié)。這種情況下主、副調(diào)節(jié)器都可用比例調(diào)節(jié)作用，但有時(shí)為了不使主參數(shù)偏離給定值太遠(yuǎn)，主調(diào)節(jié)器也常用比例、積分作用。

主、副調(diào)節(jié)器選擇原則不是絕對(duì)的準(zhǔn)則，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要和效果來(lái)適當(dāng)處理。

六、小結(jié)

以上我們介紹了串級(jí)調(diào)劑系統(tǒng)的概念、特點(diǎn)、應(yīng)用范圍、主副回路和調(diào)節(jié)器的選擇原則等。請(qǐng)?jiān)倩剡^(guò)頭看文章開(kāi)頭的那個(gè)問(wèn)題，你會(huì)回答了嗎？