串級(jí)控制是通過(guò)主調(diào)節(jié)器器和外給定調(diào)節(jié)器進(jìn)行PID控制的方法。在級(jí)聯(lián)控制應(yīng)用中，除主控制器外，輸入外給定調(diào)節(jié)器的變量也需要測(cè)量和控制，以實(shí)現(xiàn)更好的控制效果，例如對(duì)系統(tǒng)的蒸汽流量進(jìn)行監(jiān)控和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體加熱的穩(wěn)定的溫度控制。
為什么采用串級(jí)控制？
對(duì)于精密應(yīng)用，很難通過(guò)一個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制同時(shí)又不對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。干擾因素可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的控制超調(diào)，而且在緩慢的系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)程中慣性也會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。這些問(wèn)題的解決方法就是將兩個(gè)或多個(gè)調(diào)節(jié)器（每個(gè)控制器具有單獨(dú)的輸入）串聯(lián)形成一個(gè)單獨(dú)的調(diào)節(jié)裝置。
溫度控制應(yīng)用示例
乳制品巴氏殺菌在乳制品巴氏殺菌應(yīng)用中，加熱牛奶的水的溫度上升很快，但牛奶自身的溫度卻上升很慢，而且最關(guān)鍵的是牛奶不能過(guò)度加熱。傳統(tǒng)的單回路控制系統(tǒng)只配備一個(gè)傳感器，直接控制牛奶溫度：在牛奶溫度達(dá)到設(shè)定值前，水溫會(huì)不斷上升。然而采用單環(huán)路控制技術(shù)雖然能夠快速而高效地使牛奶到達(dá)設(shè)定值溫度，但是熱慣性會(huì)導(dǎo)致水溫超過(guò)牛奶溫度，繼續(xù)對(duì)牛奶加熱，引發(fā)溫度超調(diào)，最終嚴(yán)重影響牛奶質(zhì)量。解決這一難題需要使用串級(jí)控制技術(shù)，一個(gè)控制回路測(cè)量牛奶溫度，另一個(gè)控制回路測(cè)量水溫。串級(jí)控制系統(tǒng)通過(guò)記錄的不斷升高的牛奶溫度測(cè)量值，緩慢降低水溫，使牛奶保持穩(wěn)定加熱而不會(huì)產(chǎn)生溫度超調(diào)。
過(guò)程穩(wěn)定性在串級(jí)控制中外給定調(diào)節(jié)器快速變化所產(chǎn)生的干擾不會(huì)影響主調(diào)節(jié)器，從而使串級(jí)控制成為精密應(yīng)用的最理想解決方案。
應(yīng)用示例
工業(yè)樓宇供暖設(shè)施的熱交換器級(jí)聯(lián)控制避免溫度超調(diào)的另一個(gè)典型應(yīng)用是工業(yè)樓宇供暖設(shè)施中的熱交換器。在這一類型應(yīng)用中，工作人員一般會(huì)在主調(diào)節(jié)器上設(shè)置設(shè)定值溫度，然后控制系統(tǒng)將該溫度與實(shí)際溫度進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)控制。
最大輸入值會(huì)限制套管溫度。在啟動(dòng)時(shí)，主控制回路會(huì)將實(shí)際溫度與設(shè)定值溫度進(jìn)行比較，然后輸出最大值，作為從調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，然后從控制器將設(shè)定值與加熱器最大輸出的護(hù)套溫度相比較。當(dāng)套管溫度升高時(shí)，從控制器控制的加熱器輸出下降。實(shí)際溫度會(huì)以一定速率升高-該速率取決于套管與產(chǎn)品間的熱慣性。這會(huì)導(dǎo)致主調(diào)節(jié)器輸出下降，降低從調(diào)節(jié)器上的“套管”設(shè)定值，有效減小對(duì)加熱器的輸出。這一過(guò)程一直持續(xù)直到系統(tǒng)平衡。
一個(gè)單獨(dú)的多環(huán)控制器可以實(shí)現(xiàn)串級(jí)控制，主環(huán)路功率直接輸入到從環(huán)路中；也可以將兩個(gè)分離的調(diào)節(jié)器連接在一起，主控制器功率作為遠(yuǎn)程設(shè)定值輸入給到副調(diào)節(jié)器(外給定調(diào)節(jié)器)，并按比例縮放以滿足應(yīng)用溫度要求-副調(diào)節(jié)器(外給定調(diào)節(jié)器)的響應(yīng)時(shí)間在理想情況下應(yīng)當(dāng)至少比主調(diào)節(jié)器快5倍。
如何設(shè)置調(diào)節(jié)器，并調(diào)節(jié)串級(jí)控制
首先應(yīng)確定主環(huán)路和次級(jí)環(huán)路的變量與測(cè)量值之間的關(guān)系。次級(jí)控制環(huán)路必須能夠?qū)χ骺刂骗h(huán)路產(chǎn)生影響，對(duì)系統(tǒng)的任何干擾都應(yīng)當(dāng)作用在主控制環(huán)路上。
在應(yīng)用中配置串級(jí)控制時(shí)，關(guān)鍵是首先調(diào)節(jié)次級(jí)控制環(huán)。如果首先調(diào)節(jié)主控制環(huán)，則次級(jí)控制環(huán)的設(shè)定值會(huì)不斷的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)功能就會(huì)不斷重復(fù)計(jì)算，無(wú)法完成調(diào)節(jié)。正確的做法是為次級(jí)控制環(huán)路設(shè)置一個(gè)固定的設(shè)定值，接著對(duì)其他所有參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后調(diào)節(jié)主控制環(huán)，這時(shí)次級(jí)控制換的設(shè)定值便取決于主控制環(huán)路。
昌暉YR-GF系列調(diào)節(jié)器在串級(jí)控制中的應(yīng)用
YR-GF系列調(diào)節(jié)器功能全面，具有針對(duì)串級(jí)控制的專業(yè)算法，可以根據(jù)主、副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量和時(shí)間常數(shù)來(lái)自動(dòng)匹配最佳的控制曲線，適用于眾多應(yīng)用場(chǎng)合。以160×80mm外形、4-20mA輸出的調(diào)節(jié)器為例，主調(diào)節(jié)器選用單回路人工智能調(diào)節(jié)器(型號(hào)為YR-GAD805-020-23-HLNN-N-P-T)，副調(diào)節(jié)器選用外給定調(diào)節(jié)器(型號(hào)為YR-GAD815-020-12/23-HLNN-N-P-T)。
當(dāng)兩個(gè)或更多功能無(wú)法由一個(gè)設(shè)備完全控制時(shí)，兩個(gè)或更多控制設(shè)備的串級(jí)組合就為過(guò)程溫度控制提供了一種簡(jiǎn)單但非常有效的解決方案。在很多應(yīng)用中，串級(jí)控制都可以極大地提升產(chǎn)品質(zhì)量，以及能源利用效率。
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