随着科技的发展，新工艺、新设备的出现，生产过程的大型化和复杂化，必然导致对操作条件的要求更加严格，变量之间的关系更加复杂。同时，现代化生产往往对产品的质量提出更高的要求，例如造纸过程成纸页定量偏差±1%以下，甲醇精馏塔的温度偏离不允许超过1℃，石油裂解气的深冷分离中，乙烯纯度要求达到99.99%等，此外生产过程中的某些特殊要求，如物料配比问题、泵阀联锁问题、前后生产工序协调问题、为了生产安全而采取的软保护问题等等，这些问题的解决都是简单控制系统所不能胜任的，因此，相应地就出现了复杂控制系统。所谓复杂控制系统是指控制系统组成中不仅只有一个调节器、执行器、变送器或对象等构成的控制系统。

    定义:串级控制系统是指由两个调节器、一个调节阀、两个变送器和两个对象组成的控制系统。其最主要的特点是两个调节器控制一个调节阀，适用于当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的对象。

    下面通过图8-1-1所示管式加热炉温度控制系统说明串级控制系统的工作原理。在这个系统，主要的控制参数是加热炉出口温度，将温度控制好，一方面可延长炉子寿命，防止炉管烧坏;另一方面可保证后面精馏分离的质量。为了控制原油出口温度，可以设置图8-1-1所示的温度控制系统，根据原油出口温度的变化来控制然料阀门的开度，即改变燃料量来维持原油出口温度保持在工艺所规定的数值上，这是一个简单控制系统。

    初看起来，上述控制方案是可行的、合理的。但是在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，上述简单控制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，难以满足生产上的要求。

    为什么会产生上述情况呢?这是因为当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响炉膛的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数约15 min左右，反应缓慢，而温度控制器TC是根据原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当干扰作用在对象上后，并不能较快地产生控制作用以克服干扰被控变量的影响。由于控制不及时，所以控制质量很差。当工艺上要求原料油的出口温度非常严格时，上述简单控制系统是难以满足要求的。为了解决容量滞后问题，还需对加热炉的工艺作进一步分析。

管式加热炉内是一根很长的受热管道，它的热负荷很大。燃料在炉膛燃烧后，是通过炉膛与原料油的温差将热量传给原料油的。因此，燃料量的变化或燃料热值的变化，首先是会使炉膛温度发生变化的，那么是否能以炉膛温度作为被控变量组成单回路控制系统呢?当然这样做会使控制通道容量滞后减少，时间常数约为3 min。控制作用比较及时，但是炉膛温度毕竟不能真正代表原料油的出口温度。虽然炉膛温度控制好了，但原料油的出口温度并不一定就能满足生产的要求，这是因为即使炉膛温度恒定的话，原料油本身的流量或人口温度变化仍会影响其出口温度。

 

 

    为了解决管式加热炉的原料油出口温度的控制问题，人们在生产实践中，往往根据炉膛温度的变化，先改变燃料量，然后再根据原料油出口温度与其给定值之差，进一步改变燃料量，以保持原料油出口温度的恒定。模仿这样的人工操作程序就构成了以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统，图8-1-2是这种系统的示意图。在稳定工况下，原料油出口温度和炉膛温度都处于相对稳定状态，控制燃料油的阀门保持在一定的开度。假定在某一时刻，燃料油的压力和或热值(与组分有关)发生变化，这个干扰首先使炉膛温度θ₂发生变化，它的变化促使控制器T2C进行工作，改变燃料的加人量，从而使炉膛温度的偏差随之减少。与此同时，由于炉膛温度的变化，或由于原料油本身的进口流量或温度发生变化会使原料油出口温度θ₁发生变化。θ₁的变化通过控制器T₁C不断地去改变控制器T₂C的给定值。这样，两个控制器协同工作，直到原料油出口温度重新稳定在给定值时，控制过程才告结束。

    图8-1-3是以上系统的方框图。根据信号传递的关系，图中将管式加热炉对象分为两部分。一部分为受热管道，图上标为温度对象1，它的输出变量为原料油出口温度θ₁。另一部分为炉膛及燃烧装置，图上标为温度对象2，它的输出变量为炉膛温度θ₂。干扰F2表示然料油压力组分等的变化，它通过温度对象2首先影响炉膛温度氏θ₂，然后再通过温度对象1影响原料油出口温度θ₁。干扰F₁表示原料油本身的流量、进口温度等的变化，它通过温度对象1直接影响原料油出口温度θ₁。

从图8-1-2或图8-1-3可以看出，在这个控制系统中，有两个控制器T₁C和T₂C，分别接收来自对象不同部位的测量信号θ₁和θ₂。其中一个控制器T₁C的输出作为另一个控制器T₂C的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构来看，这两个控制器是串接工作的，因此，这样的系统称为串级控制系统。

 

 

    下面介绍串级控制系统中常用的名词。

    (1)主变量 是工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量，如上例中的原料油出口温度θ₁。

    (2)副变量 串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引人的辅助变量，如上例中的炉膛温度θ₂。

    (3)主对象 为主变量表征其特性的生产设备，如上例中从炉膛温度检测点到炉出口温度检测点间的工艺生产设备，主要是指炉内原料油的受热管道，图8-1-3中标为温度对象1。

    (4)副对象 为副变量表征其特性的工艺生产设备，如上例中执行器至炉膛温度检测点间的工艺生产设备，主要指燃料油燃烧装置及炉膛部分，图8-1-3中标为温度对象2。

    (5)主控制器 按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器，称为主控制器(又名主导控制器)，如上例中的温度控制器T₁C。

    (6)副控制器 其结定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器称为副控制器(又名随动控制器)，如上例中的温度控制器T₂C。

    (7)主回路 是由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路，亦称外环或主环。

    (8)副回路 是由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路，亦称内环或副环。

    根据前面所介绍的串级控制系统的专用名词，各种具体对象的串级控制系统都可以画成典型形式的方框图，如图8-1-4所示。图中的主测量、变送和副测量、变送分别表示主变量和副变量的测量、变送装置。

从图8-1-4可清楚地看出，该系统中有两个闭合回路，副回路是包含在主回路中的一个小回路都是具有负反馈的闭环系统。