串级控制系统

Cascade Control
对改善控制品质有独到之处，故而在过程控制系统中应用很广泛。

基础概念

一种控制策略，它通过将一个控制系统嵌套在另一个控制系统中来实现更精确的控制；在串级控制系统中，通常有一个主控制器（主调节器）和一个从控制器（副调节器）。

主控制器输出作为副控制器的给定
副控制器具有“粗调”作用，主控制器具有“细调”作用；两者配合，控制质量高于单回路控制系统。

• 外环（主环）：主控制器、主对象、主变量，定值控制系统，保证系统稳定
• 内环（副环）：副控制器、副对象、副变量，随动控制系统，保证系统性能
  作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。

串级系统的特点与应用

1. 副回路改善了对象特性，使得系统工作频率提高，从而提高控制质量
2. 等效副回路时间常数的缩短，提高控制质量和可控性
3. 具有较强的抗干扰能力
4. 具有一定的自适应能力（串级控制系统中，副回路是一个随动系统，设定值随主控制器的输出而变化，适应负荷变化的能力较强。）

工业应用

• 克服对象的纯滞后
• 克服对象的容量滞后（此时选择一个滞后较小的辅助变量组成副回路）
• 克服变化剧烈和幅值大的干扰 （对二次干扰有很强的克服能力）
• 克服对象的非线性

串级控制系统的设计

1. 副回路的选择

主回路：定值控制系统，可以按单回路控制系统的设计原则进行。
副回路：应将变化最剧烈、幅度最大、最频繁的扰动包括在内，使得系统中的主要干扰包含在副环。

• 将主要干扰包含在副环内，且应尽可能多的包含更多扰动
• 将非线性环节处于副环之中，降低非线性影响
• 对象具有较大纯滞后时，副回路尽可能地少包含纯滞后
• 主、副对象的时间常数要匹配，避免共振

2. 系统实施（正反作用选择）

控制阀、副对象、副控制器乘积为-

1. 控制阀

2. 副对象

3. 副控制器
   主控制器、主对象、乘积为 -

4. 主对象（看和副对象的关系，明确对象的输入和输出，从根本角度确定正反作用）

5. 主控制器（不要论调节阀！已经在副回路中包含了！主控制器只和主对象有关系！）

6. 工作过程描述：要有中间过程、要有充分理由，一定要明确控制的目的！

   • 干扰来自主环，仅需列一个过程即可
   • 干扰来自副环，不仅要分析副环，而且副环会影响主环，要列两个过程

串级控制实例

参数整定方法

所谓投运，就是通过适当的步骤，使主、副控制器从手动工作状态转到自动工作状态
单回路反馈控制系统#三、单回路系统的投运与整定

1. 两步整定法

先副环后主环，先比例，后积分，最后微分

• 主、副回路闭合，将主控制器纯比例控制，比例度为 100%，按 4：1 整定副环，得到副环的 4：1 的比例度 ${\delta }_2$ 和衰减周期 $T_2$
• 将副环设为纯比例控制，比例度设为 ${\delta }_2$ ，4：1 整定主环，得到主环的 4：1 的比例度 ${\delta }_1$ 和衰减周期 $T_1$
• 结合控制器的选型，按照单回路整定法求出主副控制器的参数
• 最后进行微小调整

2. 一步整定法

根据经验确定副控制器参数（纯比例控制），不再变动，按照单回路整定法确定主控制器参数