Wat is Cascade Control?
in single-loop control, wordt het instelpunt van de controller ingesteld door een operator, en de output drijft een eindbesturingselement aan. Bijvoorbeeld: een niveauregelaar die een regelklep aanstuurt om het niveau op het ingestelde punt te houden.

In een cascade-regeling zijn er twee (of meer) controllers waarvan de uitgang van een controller het instelpunt van een andere controller aanstuurt. Bijvoorbeeld: een niveauregelaar die het instelpunt van een stroomregelaar aanstuurt om het niveau op zijn instelpunt te houden. De debietregelaar drijft op zijn beurt een regelklep aan om de debiet af te stemmen op het instelpunt dat de niveauregelaar vraagt.

de controller die het instelpunt aanstuurt (de niveauregelaar in het voorbeeld hierboven) wordt de primaire, buitenste of hoofdcontroller genoemd. De regelaar die het instelpunt ontvangt (stroomregelaar in het voorbeeld) wordt de secundaire, innerlijke of slave regelaar genoemd.

Wat zijn de voordelen van Cascade Control?
er zijn verschillende voordelen van cascade controle, en de meeste komen neer op het isoleren van een langzame regellus van niet-lineariteit in het uiteindelijke regelelement. In het bovenstaande voorbeeld wordt de relatief langzame niveauregelingslus geïsoleerd van eventuele problemen met regelkleppen door de Fast flow controllus deze problemen te laten oplossen.

stel je voor dat de regelklep een stictie probleem heeft (zie blog over valve problems.) Zonder de stroomregellus zal de niveauregelingslus (die de kleverige klep aandrijft) continu oscilleren in een stick-slip-cyclus met een lange (langzame) periode, wat zeer waarschijnlijk het stroomafwaartse proces zal beïnvloeden. Met de fast flow control loop op zijn plaats, zal de kleverige regelklep ervoor zorgen dat het oscilleren, maar op een veel kortere (snellere) periode als gevolg van het inherente snelle dynamische gedrag van een goed afgestemde flow loop. Het is waarschijnlijk dat de snelle oscillaties zullen worden afgezwakt door het downstream-proces zonder veel van een nadelig effect.

of stel je voor dat de regelklep een niet-lineaire stroomkarakteristiek heeft (zie blog over klepproblemen.) Dit vereist dat de regellus die het aandrijft, wordt ontgrendeld om de stabiliteit over het gehele mogelijke debietbereik te handhaven. (Natuurlijk zijn er betere manieren om met niet-lineariteiten om te gaan, maar dat is het onderwerp van een andere blog.) Als de niveauregelaar de klep direct aanstuurt, moet deze worden ontgrendeld om de stabiliteit te behouden – wat mogelijk resulteert in een zeer slechte niveauregelaar. In een cascade regeling met een flow control loop aandrijving van de klep, zal de flow loop worden ontgrendeld om de stabiliteit te behouden. Dit zal resulteren in een relatief slechte flow control, maar omdat de flow loop dynamisch zo veel sneller is dan de niveaulus, wordt de niveaulus nauwelijks beïnvloed.

Wanneer moet Cascade Control worden gebruikt?
Cascade controle moet altijd worden gebruikt als u een proces met relatief langzame dynamiek (zoals niveau, temperatuur, samenstelling, vochtigheid) en een vloeistof-of gasstroom, of een ander relatief snel proces, moet worden gemanipuleerd om het langzame proces te controleren. Bijvoorbeeld: het veranderen van het koelwaterdebiet om de condensordruk (vacuüm) te regelen, of het veranderen van het stoomdebiet om de uitlaattemperatuur van de warmtewisselaar te regelen. In beide gevallen moeten stromingsregellussen worden gebruikt als binnenste lussen in cascade-arrangementen.

heeft Cascade-controle nadelen?Cascade control heeft drie nadelen. Een, het vereist een extra meting (meestal debiet) om te werken. Twee, Er is een extra controller die moet worden afgestemd. En ten derde is de besturingsstrategie complexer – zowel voor ingenieurs als bedieners. Deze nadelen moeten worden afgewogen tegen de voordelen van de verwachte verbetering van de controle om te beslissen of cascadecontrole moet worden uitgevoerd.

Wanneer mag Cascade Control niet worden gebruikt?Cascade controle is alleen nuttig als de dynamiek van de binnenste lus snel is in vergelijking met die van de buitenste lus. Cascade control mag over het algemeen niet worden gebruikt als de binnenste lus niet ten minste drie keer sneller is dan de buitenste lus, omdat de verbeterde prestaties de toegevoegde complexiteit mogelijk niet rechtvaardigen.

naast de verminderde voordelen van cascade controle wanneer de binnenste lus niet significant sneller is dan de buitenste lus, bestaat er ook een risico op interactie tussen de twee lussen die kan resulteren in instabiliteit – vooral als de binnenste lus zeer agressief is afgesteld.

hoe moeten Cascade-besturingselementen worden afgestemd?
een cascade-arrangement moet worden afgestemd, beginnend met de binnenste lus. Zodra die is afgestemd, wordt het in cascade control geplaatst, of externe instelpuntmodus, en dan wordt de lus die zijn instelpunt aanstuurt, afgestemd. Gebruik geen Quarter-amplitude-demping tuning regels (zoals de ongewijzigde Ziegler-Nichols en Cohen-Coon regels) om controle lussen af te stemmen in een cascade structuur omdat het instabiliteit kan veroorzaken als de procesdynamiek van de binnenste en buitenste lussen zijn vergelijkbaar.