串級(jí)控制系統(tǒng)概述
一、串級(jí)控制系統(tǒng)的概述圖4-1是串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)有主、副兩個(gè)控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián)工作，其中主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的給定值R，它的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)C1。
圖4-1 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖
R-主參數(shù)的給定值； C1-被控的主參數(shù) ； C2-副參數(shù)；
f1(t)-作用在主對(duì)象上的擾動(dòng)； f2(t)-作用在副對(duì)象上的擾動(dòng)。
二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
串級(jí)控制系統(tǒng)及其副回路對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響已在有關(guān)課程中介紹，在此將有關(guān)結(jié)論再簡(jiǎn)單歸納一下。
1．改善了過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性；
2．能及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動(dòng)，提高了系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力；
3．提高了系統(tǒng)的魯棒性；
4．具有一定的自適應(yīng)能力。
三、主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇
在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，它的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定值（無(wú)余差），故一般宜采用PI或PID調(diào)節(jié)器。由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無(wú)特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P或PI調(diào)節(jié)器。
四、主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇
正如單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所述，要使一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)必須采用負(fù)反饋。對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式的選擇原則是使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。
各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)極性是這樣規(guī)定的：當(dāng)測(cè)量值增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)Kc為負(fù)（即正作用調(diào)節(jié)器），反之，Kc為正（即反作用調(diào)節(jié)器）；本裝置所用電動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)Kv恒為正；當(dāng)過(guò)程的輸入增大時(shí)，即調(diào)節(jié)器開(kāi)大，其輸出也增大，則過(guò)程的放大系數(shù)K0為正，反之K0為負(fù)。
五、串級(jí)控制系統(tǒng)的整定方法
在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種：
（一） 逐步逼近法
所謂逐步逼近法，就是在主回路斷開(kāi)的情況下，按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，然后將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值上，使主回路閉合，按單回路整定方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。而后，將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)在所求得的數(shù)值上，再進(jìn)行整定，求取第二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值，然后再整定主調(diào)節(jié)器。依此類推，逐步逼近，直至滿足質(zhì)量指標(biāo)要求為止。
（二） 兩步整定法
兩步整定法就是第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。
整定的具體步驟為：
1．在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線法來(lái)整定副回路。記下相應(yīng)的比例度δ2S和振蕩周期T2S。
2．將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的δ2S值上，且把副回路作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度δ1S和振蕩周期T1S。
3．根據(jù)求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間Td的數(shù)值。
4．按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到過(guò)程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)達(dá)到滿意為止。
（三） 一步整定法
由于兩步整定法要尋求兩個(gè)4：1的衰減過(guò)程，這是一件很花時(shí)間的事。因而對(duì)兩步整定法做了簡(jiǎn)化，提出了一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。
具體的整定步驟為：
1．在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)K02/δ2＝0.5這一關(guān)系式，通過(guò)副過(guò)程放大系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)δ2或按經(jīng)驗(yàn)選取，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。
2．按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來(lái)整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。
3．改變給定值，觀察被控制量的響應(yīng)曲線。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1 和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)指標(biāo)最佳。
4．如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度δ或增大積分時(shí)間常數(shù)TI，即可得到改善。