调节器控制输出随被控量增加而增加，则调节器处于正作用状态；调节器控制输出随被控量增加而减小，则调节器处于反作用状态。串级控制系统中，必须分别根据各种不同情况，选择主、副调器的作用方向，昌晖仪表在本文介绍串级控制系统调节器正作用和反作用的选择方法。

1、串级控制系统中的外给定调节器作为副调节器，副调节器作用方向的选择是根据工艺安全等要求，选定执行器的气开、气关型式后，按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定的。因此，副调节器的作用方向与副对象特性、执行器的气开、气关型式有关，其选择方法与简单控制系统中调节器正、反作用的选择方法相同，这时可不考虑主调节器的作用方向，只是将主调节器的输出作为外给定调节器的给定就行了。

图1  加热炉温度-流量串级控制系统
例如图1所示的加热炉温度-流量串级控制系统中的副回路，如果为了在气源中断时，停止供给燃料油，以防烧坏炉子，那么执行器应该选气开阀，是“正”方向。 当燃料量加大时，燃油量θ2(副变量)是增加的，因此副对象是“正”方向。为了使副回路构成一个负反馈系统，副调节器(外给定调节器)应选择“反”作用方向。只有这样，才能当炉膛温度受到干扰作用上升时，外给定调节器的输出降低，从而使气开阀关小，减少燃料量，促使炉膛温度下降。

图2  精馏塔塔釜温度串级控制系统
又如图2所示的精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统中，如果基于工艺上的考虑，选择执行器为气关阀。那么，为了使副回路是一个负反馈控制系统，外给定调节器FC的作用方向应选择为“正”作用。这时，当由于蒸汽压力波动而使蒸汽流量增加时，副控制器的输出就将增加，以使控制阀关小(因是气关阀)，保证进入再沸器的加热蒸汽量不受或少受蒸汽压力波动的影响。 这样，就充分发挥了副回路克服蒸汽压力波动这一干扰的快速作用，提高了主变量的控制质量。

2、串级控制系统中主控制器作用方向的选择可按下述方法进行：当主、副变量在增加(或减小)时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小(或增加)，要求控制阀的动作方向是一致的时候，主调节器应选“反”作用；反之，则应选“正”作用。

从上述方法可以看出，串级控制系统中主调节器作用方向的选择完全由工艺情况确定，与执行器的气开、气关型式及外给定调节器的作用方向完全无关。因此，串级控制系统中主、 副调节器的选择可以按先副后主的顺序，即先确定执行器的开、关型式及外给定器的正、反作用，然后确定主调节器的作用方向；也可以按先主后副的顺序， 即先按工艺过程特性的要求确定主调节器的作用方向，然后按一般单回路控制系统的方法再选定执行器的开、关型式及外给定调节器的作用方向。

例如图1所示的加热炉串级控制系统，不论是主变量θ1或副变量θ2增加时，对控制阀动作方向的要求是一致的，都要求关小控制阀，减少供给的燃料量，才能使θ1或θ2降下来，所以此时主控制器T1C应确定为反作用方向。图2所示的精馏塔塔釜温度串级控制系统，由于蒸汽流量(副变量)增加时，需要关小控制阀，塔釜温度(主变量)增加时，也需要关小控制阀，因此它们对控制阀的动作方向要求是一致的，所以主控制器也应为反作用方向。

图3  冷却器温度串级控制系统示意图
图3是冷却器温度串级控制系统的示意图。为了保证被冷却物料出口温度的恒定，并及时克服冷剂压力波动对控制质量的影响，设计了以被冷却物料出口温度为主变量，冷剂流量为副变量的串级控制系统。分析冷却器的特性可以知道，当主变量即被冷却物料出口温度増加时，需要开大控制阀，而当副变量即冷剂流量増加时，需要关小控制阀，它们对控制阀动作方向的要求是不一致的，因此主调节器的作用方向应选用正作用。

3、当由于工艺过程的需要，控制阀由气开改为气关，或由气关改为气开时，只要图3冷却器温度串级控制系统改变外给定调节器的正反作用而不需改变主调节器的正反作用。

但是必须指出，在有些生产过程中，要求控制系统既可以进行串级控制，又可以实现主调节器单独工作，即切除外给定调节器，由主控制器的输出直接控制执行器(称为主控)，这就是说，若系统由串级切换为主控时，是用主控制器的输出代替原先外给定调节器的输出去控制执行器，而若系统由主控切换为串级时，是用外给定调节器的输出代替主调节器的输出去控制执行器，无论哪一种切换，都必需保证当主变量变化时，去控制阀的信号完全一致。以图1所示的管式加热炉出口温度串级控制系统为例，当执行器为气开阀时，主调节器和外给定调节器均为反作用。主变量θ1增加时，去执行器的气压信号是要求减小的。这样才能关小阀门，减少燃料供给量，以使温度θ1下降，当系统由串级切换为主控时，若θ1增加，要求主调节器的输出也减小，因此这时主控制器仍为反作用的，不需改变方向。相反，如果工艺要求执行器改为气关阀，那么主调节器为反作用，外给定调节器为正作用。这时若系统为串级控制时，θ1增加，外给定调节器的输出即去执行器的信号是增加的，这样才能关小阀门，减少燃料供给量。若这时系统由串级切换为主控，为了保证在θ1增加时，主调节器的输出，即去执行器的信号仍是增加的，正调节器就必须是正作用，这样才能保证由串级改为主控后，控制系统(这时实际上是单回路的)是一个具有负反馈的闭环系统。

总之，系统串级与主控切换的条件是：当主变量变化时，串级时外给定调节器的输出与主控时主调节器的输出信号方向完全一致。根据这一条件可以断定：只有当副调节器为“反”作用时，才能在串级与主控之间直接进行切换，如果外给定调节器为“正”作用，则在串级与主控之间进行切换的同时，要改变主调节器的正反作用。为了能使串级系统在串级与主控之间方便地切换，在执行器气开、气关型式的选择不受工艺条件限制，可以任选的情况下，应选择能使外给定调节器为反作用的那种执行器类型，这样就可免除在串级与主控切换时来回改变主调节器的正、反作用。

串级控制系统中主调节器选用的是单回路调节器，副调节器选用的是外给定调节器。在实际运用中，很多仪表工对整定调节器PID参数有畏难情绪，昌晖仪表建议大家尽量选用自整定功能和控制算法先进的人工智能调节器，一般工况通过1-3次自整定就可以获得较好的控制效果，也节省您的时间。

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