調(diào)節(jié)器控制輸出隨被控量增加而增加，則調(diào)節(jié)器處于正作用狀態(tài)；調(diào)節(jié)器控制輸出隨被控量增加而減小，則調(diào)節(jié)器處于反作用狀態(tài)。串級控制系統(tǒng)中，必須分別根據(jù)各種不同情況，選擇主、副調(diào)器的作用方向，昌暉儀表在本文介紹串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器正作用和反作用的選擇方法。
1、串級控制系統(tǒng)中的外給定調(diào)節(jié)器作為副調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器作用方向的選擇是根據(jù)工藝安全等要求，選定執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)型式后，按照使副控制回路成為一個負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來確定的。因此，副調(diào)節(jié)器的作用方向與副對象特性、執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)型式有關(guān)，其選擇方法與簡單控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇方法相同，這時可不考慮主調(diào)節(jié)器的作用方向，只是將主調(diào)節(jié)器的輸出作為外給定調(diào)節(jié)器的給定就行了。
圖1 加熱爐溫度-流量串級控制系統(tǒng)
例如圖1所示的加熱爐溫度-流量串級控制系統(tǒng)中的副回路，如果為了在氣源中斷時，停止供給燃料油，以防燒壞爐子，那么執(zhí)行器應(yīng)該選氣開閥，是“正”方向。 當(dāng)燃料量加大時，燃油量θ2(副變量)是增加的，因此副對象是“正”方向。為了使副回路構(gòu)成一個負(fù)反饋系統(tǒng)，副調(diào)節(jié)器(外給定調(diào)節(jié)器)應(yīng)選擇“反”作用方向。只有這樣，才能當(dāng)爐膛溫度受到干擾作用上升時，外給定調(diào)節(jié)器的輸出降低，從而使氣開閥關(guān)小，減少燃料量，促使?fàn)t膛溫度下降。
圖2 精餾塔塔釜溫度串級控制系統(tǒng)
又如圖2所示的精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量的串級控制系統(tǒng)中，如果基于工藝上的考慮，選擇執(zhí)行器為氣關(guān)閥。那么，為了使副回路是一個負(fù)反饋控制系統(tǒng)，外給定調(diào)節(jié)器FC的作用方向應(yīng)選擇為“正”作用。這時，當(dāng)由于蒸汽壓力波動而使蒸汽流量增加時，副控制器的輸出就將增加，以使控制閥關(guān)小(因是氣關(guān)閥)，保證進(jìn)入再沸器的加熱蒸汽量不受或少受蒸汽壓力波動的影響。 這樣，就充分發(fā)揮了副回路克服蒸汽壓力波動這一干擾的快速作用，提高了主變量的控制質(zhì)量。
2、串級控制系統(tǒng)中主控制器作用方向的選擇可按下述方法進(jìn)行：當(dāng)主、副變量在增加(或減小)時，如果由工藝分析得出，為使主、副變量減小(或增加)，要求控制閥的動作方向是一致的時候，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選“反”作用；反之，則應(yīng)選“正”作用。
從上述方法可以看出，串級控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器作用方向的選擇完全由工藝情況確定，與執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)型式及外給定調(diào)節(jié)器的作用方向完全無關(guān)。因此，串級控制系統(tǒng)中主、 副調(diào)節(jié)器的選擇可以按先副后主的順序，即先確定執(zhí)行器的開、關(guān)型式及外給定器的正、反作用，然后確定主調(diào)節(jié)器的作用方向；也可以按先主后副的順序， 即先按工藝過程特性的要求確定主調(diào)節(jié)器的作用方向，然后按一般單回路控制系統(tǒng)的方法再選定執(zhí)行器的開、關(guān)型式及外給定調(diào)節(jié)器的作用方向。
例如圖1所示的加熱爐串級控制系統(tǒng)，不論是主變量θ1或副變量θ2增加時，對控制閥動作方向的要求是一致的，都要求關(guān)小控制閥，減少供給的燃料量，才能使θ1或θ2降下來，所以此時主控制器T1C應(yīng)確定為反作用方向。圖2所示的精餾塔塔釜溫度串級控制系統(tǒng)，由于蒸汽流量(副變量)增加時，需要關(guān)小控制閥，塔釜溫度(主變量)增加時，也需要關(guān)小控制閥，因此它們對控制閥的動作方向要求是一致的，所以主控制器也應(yīng)為反作用方向。
圖3 冷卻器溫度串級控制系統(tǒng)示意圖
圖3是冷卻器溫度串級控制系統(tǒng)的示意圖。為了保證被冷卻物料出口溫度的恒定，并及時克服冷劑壓力波動對控制質(zhì)量的影響，設(shè)計(jì)了以被冷卻物料出口溫度為主變量，冷劑流量為副變量的串級控制系統(tǒng)。分析冷卻器的特性可以知道，當(dāng)主變量即被冷卻物料出口溫度増加時，需要開大控制閥，而當(dāng)副變量即冷劑流量増加時，需要關(guān)小控制閥，它們對控制閥動作方向的要求是不一致的，因此主調(diào)節(jié)器的作用方向應(yīng)選用正作用。
3、當(dāng)由于工藝過程的需要，控制閥由氣開改為氣關(guān)，或由氣關(guān)改為氣開時，只要圖3冷卻器溫度串級控制系統(tǒng)改變外給定調(diào)節(jié)器的正反作用而不需改變主調(diào)節(jié)器的正反作用。
但是必須指出，在有些生產(chǎn)過程中，要求控制系統(tǒng)既可以進(jìn)行串級控制，又可以實(shí)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器單獨(dú)工作，即切除外給定調(diào)節(jié)器，由主控制器的輸出直接控制執(zhí)行器(稱為主控)，這就是說，若系統(tǒng)由串級切換為主控時，是用主控制器的輸出代替原先外給定調(diào)節(jié)器的輸出去控制執(zhí)行器，而若系統(tǒng)由主控切換為串級時，是用外給定調(diào)節(jié)器的輸出代替主調(diào)節(jié)器的輸出去控制執(zhí)行器，無論哪一種切換，都必需保證當(dāng)主變量變化時，去控制閥的信號完全一致。以圖1所示的管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)為例，當(dāng)執(zhí)行器為氣開閥時，主調(diào)節(jié)器和外給定調(diào)節(jié)器均為反作用。主變量θ1增加時，去執(zhí)行器的氣壓信號是要求減小的。這樣才能關(guān)小閥門，減少燃料供給量，以使溫度θ1下降，當(dāng)系統(tǒng)由串級切換為主控時，若θ1增加，要求主調(diào)節(jié)器的輸出也減小，因此這時主控制器仍為反作用的，不需改變方向。相反，如果工藝要求執(zhí)行器改為氣關(guān)閥，那么主調(diào)節(jié)器為反作用，外給定調(diào)節(jié)器為正作用。這時若系統(tǒng)為串級控制時，θ1增加，外給定調(diào)節(jié)器的輸出即去執(zhí)行器的信號是增加的，這樣才能關(guān)小閥門，減少燃料供給量。若這時系統(tǒng)由串級切換為主控，為了保證在θ1增加時，主調(diào)節(jié)器的輸出，即去執(zhí)行器的信號仍是增加的，正調(diào)節(jié)器就必須是正作用，這樣才能保證由串級改為主控后，控制系統(tǒng)(這時實(shí)際上是單回路的)是一個具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。
總之，系統(tǒng)串級與主控切換的條件是：當(dāng)主變量變化時，串級時外給定調(diào)節(jié)器的輸出與主控時主調(diào)節(jié)器的輸出信號方向完全一致。根據(jù)這一條件可以斷定：只有當(dāng)副調(diào)節(jié)器為“反”作用時，才能在串級與主控之間直接進(jìn)行切換，如果外給定調(diào)節(jié)器為“正”作用，則在串級與主控之間進(jìn)行切換的同時，要改變主調(diào)節(jié)器的正反作用。為了能使串級系統(tǒng)在串級與主控之間方便地切換，在執(zhí)行器氣開、氣關(guān)型式的選擇不受工藝條件限制，可以任選的情況下，應(yīng)選擇能使外給定調(diào)節(jié)器為反作用的那種執(zhí)行器類型，這樣就可免除在串級與主控切換時來回改變主調(diào)節(jié)器的正、反作用。
串級控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器選用的是單回路調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器選用的是外給定調(diào)節(jié)器。在實(shí)際運(yùn)用中，很多儀表工對整定調(diào)節(jié)器PID參數(shù)有畏難情緒，昌暉儀表建議大家盡量選用自整定功能和控制算法先進(jìn)的人工智能調(diào)節(jié)器，一般工況通過1-3次自整定就可以獲得較好的控制效果，也節(jié)省您的時間。
推薦閱讀
怎樣選擇PID調(diào)節(jié)器的正作用和反作用
