什么是級聯(lián)控制？

級聯(lián)控制是通過主控制器（安裝在控制終端）和次級控制器（安裝在控制元件上）進行溫度控制的方法。在級聯(lián)控制應用中，除主控制器外，次級變量也會得到測量和控制，以實現(xiàn)更好的控制效果，例如對系統(tǒng)的蒸汽流量進行監(jiān)控和控制，實現(xiàn)對物體加熱的穩(wěn)定的溫度控制。

為什么采用級聯(lián)控制？

對于精密應用，很難通過一個設備進行控制同時又不對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。干擾因素可能會導致過大的溫度超調(diào)，而且在緩慢的系統(tǒng)恢復過程中熱慣性也會帶來問題。這些問題的解決方法就是將兩個或多個控制器（每個控制器具有單獨的輸入）串聯(lián)形成一個單獨的調(diào)節(jié)裝置。

溫度控制應用示例--乳制品巴氏殺菌

在乳制品巴氏殺菌應用中，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， 而且最關鍵的是牛奶不能過度加熱。 傳統(tǒng)的單回路控制系統(tǒng)只配備一個傳感器，直接控制牛奶溫度：在牛奶溫度達到設定值前，水溫會不斷上升。然而采用單環(huán)路控制技術雖然能夠快速而高效地使牛奶到達設定值溫度，但是熱慣性會導致水溫超過牛奶溫度，繼續(xù)對牛奶加熱，引發(fā)溫度超調(diào)，最終嚴重影響牛奶質(zhì)量。

解決這一難題需要使用雙回路級聯(lián)控制技術，一個控制回路測量牛奶溫度，另一個控制回路測量水溫。級聯(lián)控制系統(tǒng)通過記錄的不斷升高的牛奶溫度測量值，緩慢降低水溫，使牛奶保持穩(wěn)定加熱而不會產(chǎn)生溫度超調(diào)。

過程穩(wěn)定性

在級聯(lián)控制中，次級控制器快速變化所產(chǎn)生的干擾不會影響主控制器，從而使級聯(lián)控制成為精密應用的最理想解決方案。

應用示例--工業(yè)樓宇供暖設施的熱交換器

級聯(lián)控制避免溫度超調(diào)的另一個典型應用是工業(yè)樓宇供暖設施中的熱交換器。在這一類型應用中，工作人員一般會在主控制器上設置設定值溫度，然后控制系統(tǒng)將該溫度與實際溫度進行比較，實現(xiàn)控制。

最大輸入值會限制套管溫度。在啟動時，主控制回路會將實際溫度與設定值溫度進行比較，然后輸出最大值，作為從控制器的設定值，然后從控制器將設定值與加熱器最大輸出的護套溫度相比較。當套管溫度升高時，從控制器控制的加熱器輸出下降。實際溫度會以一定速率升高  —  該速率取決于套管與產(chǎn)品間的熱慣性。這會導致主控制器輸出下降，降低從控制器上的“套管”設定值，有效減小對加熱器的輸出。這一過程一直持續(xù)直到系統(tǒng)平衡。

一個單獨的多環(huán)控制器可以實現(xiàn)級聯(lián)控制，主環(huán)路功率直接輸入到從環(huán)路中；也可以將兩個分離的控制器連接在一起，主控制器功率作為遠程設定值輸入給到從控制器，并按比例縮放以滿足應用溫度要求  —  從控制器的響應時間在理想情況下應當至少比主控制器快 5 倍。

如何設置控制器，并調(diào)節(jié)級聯(lián)控制

首先應確定主環(huán)路和次級環(huán)路的變量與測量值之間的關系。次級控制環(huán)路必須能夠?qū)χ骺刂骗h(huán)路產(chǎn)生影響，對系統(tǒng)的任何干擾都應當作用在主控制環(huán)路上。

在應用中配置級聯(lián)控制時，關鍵是首先調(diào)節(jié)次級控制環(huán)。如果首先調(diào)節(jié)主控制環(huán)，則次級控制環(huán)的設定值會不斷的變化，自動調(diào)節(jié)功能就會不斷重復計算，無法完成調(diào)節(jié)。 正確的做法是為次級控制環(huán)路設置一個固定的設定值，接著對其他所有參數(shù)進行調(diào)節(jié)，然后調(diào)節(jié)主控制環(huán)，這時次級控制換的設定值便取決于主控制環(huán)路。

結語

當兩個或更多功能無法由一個設備完全控制時，兩個或更多控制設備的級聯(lián)組合就為過程溫度控制提供了一種簡單但非常有效的解決方案。在很多應用中，級聯(lián)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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