2. 连续反应器温度串级控制回路整定
被控对象与串级方案
连续搅拌反应器（CSTR）的温度控制难点在于：冷却水流量变化到釜温响应存在较大滞后，而进料温度、反应放热速率等扰动又频繁出现。单回路控制把釜温直接送给冷却水阀，扰动先影响釜温、再经阀动作纠正，超调大、恢复慢。串级控制把冷却水流量作为副回路快速抑制冷却水压力波动，主回路只负责釜温这一最终目标。
本例对象参数（教学示例）：反应器有效容积 2 m³，夹套冷却水额定流量 8 m³/h，冷却水入口温度 25 ℃，正常工况釜温设定值 80 ℃。主变量为釜温 TT-101（量程 0~150 ℃），副变量为冷却水流量 FT-102（量程 0~12 m³/h），执行器为冷却水调节阀 FV-102（气开式）。
主副回路整定步骤
串级整定采用"先副后主"的顺序，副回路断开主回路输出、手动给定副回路设定值进行整定，主回路再投入自动。
- 副回路整定：将 FIC-102 切手动，输出 50% 使冷却水流量稳定在约 6 m³/h。切自动后施加 2 m³/h 的设定值阶跃，观察流量响应。按衰减曲线法整定：比例度从 100% 逐步减小至出现 4:1 衰减振荡，记录此时 δs=25%、振荡周期 Ts≈30 s。取 δ=δs=25%，Ti=0.5Ts=15 s，Td=0（流量回路噪声大，不加微分）。
- 主回路整定：副回路投入自动后，将 TIC-101 切手动，输出使釜温稳定在 80 ℃。切自动后施加 5 ℃ 设定值阶跃，按同样方法整定。由于主对象滞后大，比例度需放宽至 60%，积分时间取 180 s，微分时间取 30 s 以补偿滞后。
- 参数校验：确认主回路振荡周期约 300 s，副回路约 30 s，两者频率比约 10:1，满足错开要求。
抗扰动对比验证
在进料温度从 25 ℃ 阶跃升至 40 ℃ 的扰动下，对比单回路与串级控制的釜温响应。单回路控制中，进料温度扰动直接作用于釜温，温度先上升至约 84.5 ℃ 后才被冷却水阀纠正，最大偏差约 4.5 ℃，恢复时间约 25 min。串级控制中，扰动引起釜温微升后，主调节器输出变化使副回路设定值改变，副回路立即调整冷却水流量，釜温最大偏差约 1.8 ℃，恢复时间约 12 min。
| 指标 | 单回路控制 | 串级控制 |
|---|---|---|
| 最大动态偏差 | 约 4.5 ℃ | 约 1.8 ℃ |
| 恢复时间（±0.5 ℃） | 约 25 min | 约 12 min |
| 冷却水压力波动影响 | 直接反映到釜温 | 副回路快速抑制 |
| 阀门动作频率 | 较低 | 较高（副回路调节） |
副回路整定时，若流量信号噪声较大，可适当增大比例度或引入流量信号滤波，避免阀门频繁动作。主回路微分时间不宜过大，否则会放大温度测量噪声。
串级投运时必须先投副回路自动、再投主回路自动；停车时先切主回路手动、再切副回路手动。顺序颠倒可能导致副回路设定值突变，引起冷却水流量大幅波动。