Was ist Kaskadensteuerung?
Bei der Regelung mit einem Regelkreis wird der Sollwert des Reglers von einem Bediener eingestellt und sein Ausgang treibt ein Stellglied an. Zum Beispiel: Ein Niveauregler, der ein Regelventil antreibt, um den Pegel auf seinem Sollwert zu halten.

In einer Kaskadenregelanordnung gibt es zwei (oder mehr) Regler, von denen der Ausgang eines Reglers den Sollwert eines anderen Reglers steuert. Beispielsweise: ein Füllstandsregler steuert den Sollwert eines Durchflussreglers, um den Füllstand auf seinem Sollwert zu halten. Der Durchflussregler steuert seinerseits ein Regelventil an, um den Durchfluss an den Sollwert anzupassen, den der Niveauregler anfordert.

Der Regler, der den Sollwert steuert (der Pegelregler im obigen Beispiel), wird als primärer, äußerer oder Master-Regler bezeichnet. Der Regler, der den Sollwert empfängt (im Beispiel Durchflussregler), wird als sekundärer, innerer oder Slave-Regler bezeichnet.

Was sind die Vorteile der Kaskadenregelung?
Es gibt mehrere Vorteile der Kaskadenregelung, und die meisten von ihnen laufen darauf hinaus, eine langsame Regelschleife von Nichtlinearitäten im Endsteuerelement zu isolieren. Im obigen Beispiel wird der relativ langsame Niveauregelkreis von jeglichen Steuerventilproblemen isoliert, indem der schnelle Durchflussregelkreis diese Probleme behandelt.

Stellen Sie sich vor, dass das Steuerventil ein Haftungsproblem hat (siehe Blog über Ventilprobleme.) Ohne den Durchflussregelkreis oszilliert der Niveauregelkreis (der das klebrige Ventil antreibt) kontinuierlich in einem Stick-Slip-Zyklus mit einer langen (langsamen) Periode, was sich höchstwahrscheinlich auf den nachgeschalteten Prozess auswirkt. Wenn die schnelle Durchflussregelschleife vorhanden ist, bewirkt das klebrige Regelventil, dass es oszilliert, jedoch aufgrund des inhärenten schnellen dynamischen Verhaltens einer gut abgestimmten Durchflussschleife mit einer viel kürzeren (schnelleren) Periode. Es ist wahrscheinlich, dass die schnellen Schwingungen durch den nachgeschalteten Prozess gedämpft werden, ohne dass sich dies nachteilig auswirkt.

Oder stellen Sie sich vor, dass das Regelventil eine nichtlineare Strömungscharakteristik hat (siehe Blog zu Ventilproblemen.) Dies erfordert, dass der Regelkreis, der ihn antreibt, verstimmt wird, um die Stabilität über den gesamten möglichen Bereich der Durchflussraten aufrechtzuerhalten. (Natürlich gibt es bessere Möglichkeiten, mit Nichtlinearitäten umzugehen, aber das ist das Thema eines anderen Blogs.) Wenn der Niveauregler das Ventil direkt ansteuert, muss er verstimmt werden, um die Stabilität zu erhalten – was möglicherweise zu einer sehr schlechten Niveauregelung führt. In einer Kaskadensteueranordnung mit einem Durchflussregelkreis, der das Ventil antreibt, wird der Durchflusskreis verstimmt, um die Stabilität aufrechtzuerhalten. Dies führt zu einer relativ schlechten Durchflussregelung, aber da die Durchflussschleife dynamisch so viel schneller ist als die Pegelschleife, wird die Pegelregelschleife kaum beeinflusst.

Wann sollte die Kaskadenregelung verwendet werden?Kaskadenregelung sollte immer verwendet werden, wenn Sie einen Prozess mit relativ langsamer Dynamik (wie Füllstand, Temperatur, Zusammensetzung, Feuchtigkeit) haben und ein Flüssigkeits- oder Gasfluss oder ein anderer relativ schneller Prozess manipuliert werden muss, um den langsamen Prozess zu steuern. Zum Beispiel: Ändern der Kühlwasserdurchflussrate zur Steuerung des Kondensatordrucks (Vakuum) oder Ändern der Dampfdurchflussrate zur Steuerung der Wärmetauscheraustrittstemperatur. In beiden Fällen sollten Flussregelschleifen als innere Schleifen in Kaskadenanordnungen verwendet werden.

Hat die Kaskadenregelung Nachteile?
Kaskadensteuerung hat drei Nachteile. Eine, es erfordert eine zusätzliche messung (in der regel fluss rate) zu arbeiten. Zweitens gibt es einen zusätzlichen Controller, der abgestimmt werden muss. Und drittens ist die Steuerungsstrategie komplexer – für Ingenieure und Betreiber gleichermaßen. Diese Nachteile müssen gegen die Vorteile der erwarteten Verbesserung der Regelung abgewogen werden, um zu entscheiden, ob eine Kaskadenregelung implementiert werden sollte.

Wann sollte die Kaskadensteuerung nicht verwendet werden?
Kaskadensteuerung ist nur dann von Vorteil, wenn die Dynamik der inneren Schleife sind schnell im Vergleich zu denen der äußeren Schleife. Die Kaskadenregelung sollte im Allgemeinen nicht verwendet werden, wenn die innere Schleife nicht mindestens dreimal schneller ist als die äußere Schleife, da die verbesserte Leistung die zusätzliche Komplexität möglicherweise nicht rechtfertigt.Zusätzlich zu den verminderten Vorteilen der Kaskadenregelung, wenn die innere Schleife nicht signifikant schneller ist als die äußere Schleife, besteht auch die Gefahr einer Interaktion zwischen den beiden Schleifen, die zu Instabilität führen kann – insbesondere wenn die innere Schleife sehr aggressiv abgestimmt ist.

Wie sollten Kaskadensteuerungen abgestimmt werden?
Eine Kaskadenanordnung sollte beginnend mit der innersten Schleife abgestimmt werden. Sobald dieser abgestimmt ist, wird er in die Kaskadensteuerung oder in den externen Sollwertmodus versetzt, und dann wird die Schleife, die seinen Sollwert antreibt, abgestimmt. Verwenden Sie keine Abstimmregeln für die Viertelamplitudendämpfung (z. B. die unveränderten Ziegler-Nichols- und Cohen-Coon-Regeln), um Regelkreise in einer Kaskadenstruktur abzustimmen, da dies zu Instabilität führen kann, wenn die Prozessdynamik der inneren und äußeren Schleifen ähnlich ist.