摘要：本文主要针对各种工业生产和仪器设备中的温度、流量、真空、压力和张力等参数的高精度自动控制，介绍了几种常用的复杂控制系统，如串级、分程、比值、前馈-反馈、选择性以及三冲量控制系统。本文主要目的是展示这些复杂控制技术基本概念和结构框图，为后续推出的各种复杂控制用PID调节器做基础技术讲解，以便在实际自动化控制中能充分发挥复杂控制用PID调节器的强大功能。
一、概述
控制系统一般又可分为简单控制系统和复杂控制系统两大类，所谓复杂，是相对于简单而言的。凡是多参数，具有两个以上传感器、两个以上调节器或两个以上执行器组成多回路的自动控制系统，通称为复杂控制系统。
如图1所示，目前常用的复杂控制系统有串级、分程、比值、前馈-反馈、选择性以及三冲量等几种形式，并且随着生产发展的需要和科学技术进步，还会陆续出现了许多其他新型的复杂控制系统。
图1 常用的几种复杂控制系统
本文将针对上述几种复杂控制系统，重点介绍这些复杂控制系统中使用的超高精度PID控制器和典型应用案例，以期提高工程应用的设计效率、提高控制效果和降低成本造价。
二、串级控制（Cascade Control）系统串级控制系统是应用最早和最广泛的一种复杂控制系统，它是根据系统结构命名。串级控制系统由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。
串级控制系统的特点是将两个PID调节器相串联，主调节器的输出作为副调节器的设定，当被控对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。特别是需要进行超高精度控制，以及跨参数和跨量程控制时，串级控制系统则能重复发挥其优势。
串级控制系统广泛应用于温度、真空、流量、压力和张力控制等方面，典型的串级控制系统结构如图1所示。
图2 串级控制系统结构示意图
如图2所示，串级控制系统包括副控回路（由副调节器、执行器和传感器1组成）和主控回路（由主调节器、副控回路和传感器2组成），主控回路和副控回路以串联形式与被控对象连接，其中副控回路相当于主控回路中的执行器。以下是串级控制系统中各部分的主要功能：
（1）主调节器（主控制器）：根据主参数（传感器2测量值）与设定值的偏差而进行PID调节，其输出作为副调节器的设定值。
（2）副调节器（副控制器）：其设定值由主调节器的输出决定，并根据副参数（传感器1测量值）与给定值（即主调节器输出）的偏差进行PID调节。
（3）副回路（内回路）：由副参数（传感器1）、副调节器及所包括的一部分被控对象所组成的闭环回路（随动回路)
（4）主回路（外回路）：将副回路看做是一个执行器，则主参数（传感器2）、主调节器、副回路及被控对象组成的闭环回路（主动回路）。
（5）主对象（被控对象、惰性区）：主参数（一般为传感器2）所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为副变量，输出信号为主参数（主变量）。
（6）副对象（导前区）：副参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为主调节量，其输出信号为副参数（副变量）。
串级控制系统是在单回路控制结构上增加了一个随动的副回路，因此，与单回路控制相比有以下几个特点：
（1）对进入副回路的扰动具有较迅速和较强的克服能力。
（2）可以改善对象特性，特别是能提高控制精度和工作效率。
（3）可消除副回路的非线性特性的影响。
（4）可实现夸参数和夸量程的控制。
（5）串级控制系统具有一定的自适应能力。
三、分程控制（Split-Range Control）系统简单控制系统就是一个调节器的输出驱动一个执行器动作，而分程控制系统的特点是一个调节器的输出同时驱动几个工作范围不同的执行器。
通常，在一个简单控制系统中，一个调节器的输出信号只控制一个执行器，其结构与特性如图3(a）所示。如果一个调节器的输出信号同时送给两个执行器，这就是一种分程控制系统。这里两个执行器并联使用，其工作特性如图3(b）所示。
