Che cos’è Cascade Control?
Nel controllo a ciclo singolo, il set point del controller viene impostato da un operatore e la sua uscita aziona un elemento di controllo finale. Ad esempio: un regolatore di livello che guida una valvola di controllo per mantenere il livello al suo set point.

In una disposizione di controllo a cascata, ci sono due (o più) controller di cui l’uscita di un controller guida il set point di un altro controller. Biru: un regolatore di livello che guida il set point di un regolatore di flusso per mantenere il livello al suo set point. Il regolatore di flusso, a sua volta, aziona una valvola di controllo per abbinare il flusso con il set point richiesto dal regolatore di livello.

Il controller che guida il set point (il controller di livello nell’esempio precedente) è chiamato controller primario, esterno o master. Il controller che riceve il set point (controller di flusso nell’esempio) è chiamato controller secondario, interno o slave.

Quali sono i vantaggi del controllo in cascata?
Ci sono diversi vantaggi del controllo a cascata, e la maggior parte di essi si riduce all’isolamento di un ciclo di controllo lento dalle non linearità nell’elemento di controllo finale. Nell’esempio sopra il circuito di controllo del livello relativamente lento è isolato da eventuali problemi della valvola di controllo facendo in modo che il circuito di controllo del flusso veloce si occupi di questi problemi.

Immagina che la valvola di controllo abbia un problema di stiction (vedi blog sui problemi delle valvole.) Senza il ciclo di controllo del flusso, il ciclo di controllo del livello (che guida la valvola adesiva) oscillerà continuamente in un ciclo di stick-slip con un lungo periodo (lento), che probabilmente influenzerà il processo a valle. Con il circuito di controllo del flusso veloce in posizione, la valvola di controllo appiccicosa farà oscillare, ma in un periodo molto più breve (più veloce) a causa del comportamento dinamico veloce intrinseco di un ciclo di flusso ben sintonizzato. È probabile che le oscillazioni veloci saranno attenuate dal processo a valle senza avere molto di un effetto negativo.

Oppure immagina che la valvola di controllo abbia una caratteristica di flusso non lineare (vedi blog sui problemi delle valvole.) Ciò richiede che il ciclo di controllo che lo guida sia detuned per mantenere la stabilità in tutto l’intervallo possibile di portate. (Naturalmente ci sono modi migliori per affrontare le non linearità, ma questo è l’argomento di un altro blog.) Se il regolatore di livello aziona direttamente la valvola, deve essere detuned per mantenere la stabilità – possibilmente con conseguente controllo di livello molto scarso. In una disposizione di controllo a cascata con un ciclo di controllo del flusso che guida la valvola, il ciclo di flusso sarà detuned per mantenere la stabilità. Ciò si tradurrà in un controllo di flusso relativamente scarso, ma poiché il ciclo di flusso è dinamicamente molto più veloce del ciclo di livello, il ciclo di controllo del livello è difficilmente influenzato.

Quando deve essere utilizzato il controllo in cascata?
Il controllo a cascata deve essere sempre utilizzato se si dispone di un processo con dinamica relativamente lenta (come livello, temperatura, composizione, umidità) e un flusso di liquido o gas, o qualche altro processo relativamente veloce, deve essere manipolato per controllare il processo lento. Ad esempio: cambiare la portata dell’acqua di raffreddamento per controllare la pressione del condensatore (vuoto) o cambiare la portata del vapore per controllare la temperatura di uscita dello scambiatore di calore. In entrambi i casi, i loop di controllo del flusso dovrebbero essere utilizzati come loop interni in accordi a cascata.

Il controllo in cascata presenta degli svantaggi?
Il controllo a cascata presenta tre svantaggi. Uno, richiede una misurazione aggiuntiva (di solito portata) per funzionare. Due, c’è un controller aggiuntivo che deve essere sintonizzato. E tre, la strategia di controllo è più complessa, sia per gli ingegneri che per gli operatori. Questi svantaggi devono essere soppesati rispetto ai benefici del previsto miglioramento del controllo per decidere se il controllo a cascata debba essere implementato.

Quando non deve essere utilizzato il controllo a cascata?
Il controllo a cascata è utile solo se le dinamiche del ciclo interno sono veloci rispetto a quelle del ciclo esterno. Il controllo a cascata non dovrebbe generalmente essere utilizzato se il ciclo interno non è almeno tre volte più veloce del ciclo esterno, poiché le prestazioni migliorate potrebbero non giustificare la complessità aggiunta.

Oltre ai benefici ridotti del controllo a cascata quando il loop interno non è significativamente più veloce del loop esterno, c’è anche il rischio di interazione tra i due loop che potrebbe causare instabilità, specialmente se il loop interno è sintonizzato in modo molto aggressivo.

Come dovrebbero essere sintonizzati i controlli a cascata?
Una disposizione a cascata dovrebbe essere sintonizzata a partire dal loop più interno. Una volta che uno è sintonizzato, è posto in cascade control, o modalità set point esterno, e quindi il ciclo che guida il suo set point è sintonizzato. Non utilizzare regole di accordatura quarto-ampiezza-smorzamento (come le regole Ziegler-Nichols e Cohen-Coon non modificate) per regolare i loop di controllo in una struttura a cascata perché può causare instabilità se le dinamiche di processo dei loop interno ed esterno sono simili.