串级控制系统是在工业不断发展，新工艺不断出现，生产过程日趋强化，对产品质量要求越来越高，简单控制系统已不能满足工艺要求的情况下产生的。

下面以隔焰式隧道窑为例来说明串级控制。隔焰式隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色，所以火焰实际上是在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。陶器制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1 300℃，偏差不得超过5℃。因此，烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，可将烧成带温度作为被控变量，将燃料的流量作为操作变量。

为了保证陶瓷制品的质量，必须严格控制烧成带温度θ1，为此采用调节阀来改变燃料的流量，被控对象具有3个热容积，即燃烧室、隔焰板和烧成带。图7-1为隔焰式隧道窑烧成带温度简单控制系统。

图7-1　隔焰式隧道窑烧成带温度简单控制系统

为简单起见，在其方框图中，把这3个热容积画成了串联的形式，即忽略了它们之间的相互作用，如图7-2所示。引起温度θ1变化的扰动因素来自2个方面：在物料方面有陶瓷制品的移动速度、原料成分和数量等；在燃料方面有它的压力和热值。在图7-2中，用D1和D2分别代表来自物料方面和燃料方面的扰动，因作用地点不同，则对于温度θ1的影响也不一样。

图7-2　隔焰式隧道窑烧成带温度简单控制系统的方框图

在以上简单控制系统中，影响烧成带温度θ1的各种扰动因素都被包括在控制回路中，只要扰动造成θ1偏离设定值，控制器就会根据偏差的情况，通过调节阀改变燃料的流量，从而把变化了的θ1重新调回到设定值。但是实践证明这种控制方案的控制品质很差，远远达不到生产工艺的要求。原因就是从调节阀到窑道烧成带滞后时间太长，如果燃料的压力发生波动，尽管调节阀开度没变，但燃料流量将生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，滞后一段时间后才会引起烧成带温度的变化。因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现扰动的存在，所以对于燃料压力的扰动不能够及时发现。烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变调节阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度加以控制。可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了，也就是说，即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成系统超调量增大，稳定性下降。如果燃料压力扰动频繁出现，对于单回路控制系统，无论PID控制器采用什么控制作用，或者参数如何整定，都得不到满意的控制效果。

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图7-3　燃烧室温度控制系统

假定燃料的压力波动是主要扰动，发现它到燃烧室的滞后时间较短，通道也较短，而且还有一些次要扰动，如燃料热值的变化、助燃风流量的改变及排烟机抽力的波动等（图7-2中用D2表示），都是首先进入燃烧室。因此，如果把燃烧室的温度θ2测量出来并送入控制器θ2 C，让它来控制调节阀，那么调节动作就提前了很多，失去的时间就会争取过来，从而加快了速度。以燃烧室温度θ2为被控变量的单回路控制系统如图7-3所示，这种控制系统对于上述的扰动有很强的抑制作用，不等到它们影响烧成带温度，就能够较早发现，及时进行控制，将它们对烧成带温度的影响降低到最小限度。

但是，又不能简单地仅仅依靠这一个控制器θ2 C来代替图7-1中的控制器θ1 C的全部作用。这是因为最后的目标是要保持温度θ1不变，控制器θ2 C只能起稳定温度θ2的作用，而在发生物料方面的扰动D1（如窑道中装载制品的窑车速度、制品的原料成分、窑车上装载制品的数量及春夏秋冬、刮风下雨带来环境温度的变化等）的情况下，并不能保证温度θ1符合要求。由于在这个控制系统中，烧成带温度不是被控变量，所以对于扰动D1造成烧成带温度的变化，控制系统无法进行调节。

为了解决这个问题，可以设想用改变控制器θ2 C的设定值来改变燃烧室温度θ2，这样就可以在物料方面发生扰动的情况下，也能把温度θ1调节到所需要的数值上。通过分析可知，如将θ1 C的输出作为θ2 C的设定值，则系统就可以根据温度θ1的变化而自动改变控制器θ2 C的设定值，从而使得系统在扰动D1和D2的作用下都能使θ1满足要求，这就是串级控制的基本思想。

图7-4　隔焰式隧道窑温度串级控制系统

在串级控制系统中，控制燃烧室的温度θ2并不是真正的目的，真正的目的是烧成带的温度θ1稳定不变，所以烧成带温度控制器θ1 C应该是定值控制，起主导作用。而燃烧室温度控制器θ2 C则起辅助作用，它在克服扰动D2的同时，应该受烧成带温度控制器的操纵，操纵方法就是烧成带温度控制器θ1 C的输出作为燃烧室温度控制器θ2 C的设定值。隔焰式隧道窑温度串级控制系统如图7-4所示。

所谓串级控制系统，就是采用2个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵调节阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果，这样的控制系统被称为串级控制系统。与图7-4串级控制系统对应的方框图如图7-5所示。

图7-5　隔焰隧道窑串级控制系统的方框图