主、副控制器的选型包括主、副控制器调节规律的选择，控制器正、反作用方式的选择及防止控制器积分饱和的措施。

1.主、副控制器调节规律的选择

在串级控制系统中，由于主控制器和副控制器的任务不同，生产工艺对主、副变量的控制要求不同，因而主、副控制器调节规律的选择也不同。

从串级控制系统的结构上看，主回路是一个定值控制系统，因此主控制器调节规律的选择与简单控制系统类似。但凡是需要采用串级控制系统的场合，工艺上对控制品质的要求总是很高的，不允许被控变量存在偏差，因此主控制器都必须具有积分作用，一般采用PI控制器。如果副回路外面的容积数目较多，同时有主要扰动落在副回路外面，就可以考虑采用PID控制器。主控制器的任务是准确保持被控变量符合生产要求。

副回路既是随动控制系统又是定值控制系统。而副变量则是为了稳定主变量而引入的辅助变量，一般无严格的指标要求，即副变量并不要求无差，所以副控制器一般都选用P控制器。如果主、副回路的频率相差很大，也可以考虑采用PI控制器。副控制器的任务是要快动作以迅速抵消落在副回路内的二次扰动。

总之，主、副控制器的调节规律，应根据生产工艺的具体要求来选择。

2.控制器正、反作用方式的选择

与简单控制系统一样，一个串级控制系统要实现正常运行，其主、副回路都必须构成负反馈，因而必须正确选择主、副控制器的正、反作用方式。

1）副控制器正、反作用方式的选择

在串级控制系统中，副控制器作用方式的选择，是根据工艺安全等要求，在选定调节阀的气开、气关形式后，按照使副回路构成负反馈系统的原则来确定的。因此，副控制器的作用方式与副对象特性及调节阀的气开、气关形式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用方式的选择方法相同。这时可不考虑主控制器的作用方式，将主控制器的输出作为副控制器的设定值即可。

在假定副检测变送装置的增益为正的情况下，副控制器正、反作用选择的判别式为：（副控制器运算环节±）×（调节阀±）×（副对象±）＝（＋），即

式中：调节阀的“±”取决于它是气开还是气关形式，气开为“＋”，气关为“-”；副对象的“±”取决于控制变量和副变量的关系，控制变量增大副变量也增大时，为“＋”，否则为“-”。

2）主控制器正、反作用方式的选择

在串级控制系统中，主控制器作用方式的选择与调节阀的气开、气关形式及副控制器的作用方式完全无关，即只需根据主对象的特性，选择与其作用方向相反的主控制器就行了。

在选择主控制器的作用方式时，首先把整个副回路简化为一个环节，该环节的输入信号是主控制器的输出信号（即副回路的设定值），而输出信号就是副变量。由于副回路是一随动控制系统，其输入信号与输出信号之间总是正作用。因此，整个副回路可看成一个增益为正的环节。这样，在假定主检测变送装置的增益为正的情况下，主控制器正、反作用的选择实际上只取决于主对象的增益符号。

主控制器正、反作用选择的判别式为：（主控制器运算环节±）×（主对象±）＝（＋），即

由这个判别式也可看出，当主检测变送装置为正环节时，主控制器的作用方向与主对象的特性相反，即当主对象为正作用时，主控制器选反作用；反之亦然。

在串级系统的设计和实施中，除了上述讨论的几个问题外，还有一点在实施中要特别注意：在选择控制器正、反作用方式时，应当考虑有些生产过程要求控制系统既可以进行串级控制又可以仅由主控制器进行单独控制，此时主控制器的输出信号直接作用到调节阀的输入端，即调节阀直接由主控制器控制，副控制器对调节阀不起作用，它等价于方框图中的副回路反馈信号断开，副控制器运算部分的增益为1。在这两种方式进行切换时，有可能要改变主控制器的作用方向。串级控制与单回路控制（简单控制）互相切换时，其控制器正反作用方式变化如表7-1所示。

表7-1　串级控制与单回路控制切换时控制器作用方式变化

3.防止控制器积分饱和的措施

对于具有积分作用的控制器，当系统长时间存在偏差而不能消除时，控制器将出现积分饱和现象，这一现象将造成系统控制品质下降甚至失控。在串级控制系统中，如果副控制器只是P控制，而主控制器是PI或PID控制时，出现积分饱和的条件与简单控制系统相同，只要在主控制器的反馈回路中加一个间歇单元就可以有效地防止积分饱和。

但是如果主、副控制器均具有积分作用，就存在两个控制器输出分别达到极限值的可能。此时，积分饱和的情况显然比简单控制系统要严重得多，虽然利用间歇单元可以防止副控制器的积分饱和，但对主控制器却无所助益。如果由于其他原因，副控制器不能对主控制器的输出变化作出响应，主控制器将会出现积分饱和。同样，如果副控制器逐渐地到达饱和，那么主控制器的输出无须到达极限，主回路就会开环，此时必须采取其他抗积分饱和措施。(www.daowen.com)

图7-11为根据副回路的偏差来防止主控制器积分饱和的方案，采用副参数Y2（s）作为主控制器的外部反馈信号。在动态过程中，主控制器的输出为

图7-11　串级控制系统的抗积分饱和原理方框图

在系统正常工作时，Y2（s）应不断跟踪R2（s），即有Y2（s）＝R2（s），此时主控制器输出可写成

从式（7-19）可以看到，主控制器实现比例积分动作，与通常采用R2（s）作为正反馈信号时相同。当副回路受到某种约束而出现长期偏差，即Y2（s）≠R2（s），则主控制器的输出R2（s）与输入E1（s）之间存在比例关系，而由Y2（s）决定其偏置项。此时，主控制器失去积分作用，在稳态时有

显然，r2不会因副回路偏差的长期存在而发生积分饱和。

这种方案的另一个特点是将副回路包围在主控制器的正反馈回路之中，实现了补偿反馈，这必定会改善主回路的性能。

【例7-1】某反应器中进行的是放热反应，釜温过高会发生事故，为此采用夹套水进行冷却。由于对釜温控制要求较高，且冷却水的流量变化幅度较大，故设计如图7-12所示的控制系统。

图7-12　反应器控制系统原理图

试问：（1）这是什么类型的控制系统？说明主变量和副变量是什么；

（2）画出系统方框图；

（3）选择调节阀的气开、气关形式；

（4）选择主、副控制器的正、反作用方式；

（5）如主要扰动冷却水流量升高，试简述系统调节过程。

解：（1）是串级控制系统，主变量是原料出口温度θ，副变量是燃料阀前压力p。

（2）控制系统的方框图如图7-13所示。

图7-13　控制系统的方框图

（3）由于釜温过高会发生事故，为保证异常冷却水不断流，所以选择气关阀。

（4）副控制器正作用，主控制器正作用。

（5）冷却水流量增大，副控制器首先开始调节，减小调节阀开度以减小流量，克服流量变化对温度的主要影响。同时，主控制器进行细调，输出减小，即副控制器给定值减小，以克服流量变化导致温度下降的变化，最终使温度恢复到设定值。