Co To jest kontrola kaskadowa?
w sterowaniu jednokierunkowym nastawa Sterownika jest ustawiana przez operatora, a jego wyjście napędza końcowy element sterujący. Na przykład: sterownik poziomu napędzający zawór regulacyjny, aby utrzymać poziom w punkcie zadanym.

w układzie sterowania kaskadowego istnieją dwa (lub więcej) kontrolery, z których jedno wyjście sterownika napędza nastawę innego kontrolera. Na przykład: regulator poziomu sterujący nastawą regulatora przepływu, aby utrzymać poziom w punkcie nastawy. Z kolei sterownik przepływu napędza zawór regulacyjny, aby dopasować przepływ do zadanego punktu, o który prosi sterownik poziomu.

kontroler sterujący wartością zadaną (kontroler poziomu w powyższym przykładzie) nazywa się kontrolerem podstawowym, zewnętrznym lub głównym. Kontroler odbierający wartość zadaną (w przykładzie kontroler przepływu) nazywany jest kontrolerem wtórnym, wewnętrznym lub slave.

Jakie są zalety sterowania kaskadowego?
istnieje kilka zalet sterowania kaskadowego, a większość z nich sprowadza się do izolowania wolnej pętli sterowania od nieliniowości w końcowym elemencie sterowania. W powyższym przykładzie stosunkowo wolna pętla kontroli poziomu jest odizolowana od problemów z zaworami regulacyjnymi, ponieważ pętla kontroli szybkiego przepływu radzi sobie z tymi problemami.

wyobraź sobie, że zawór regulacyjny ma problem z lepkością (zobacz blog na temat problemów z zaworami.) Bez pętli kontroli przepływu pętla kontroli poziomu (napędzająca lepki zawór) będzie stale oscylować w cyklu poślizgu z długim (wolnym) okresem, co najprawdopodobniej wpłynie na proces końcowy. Przy szybkiej pętli sterowania przepływem na miejscu, lepki zawór regulacyjny spowoduje oscylację, ale w znacznie krótszym (szybszym) okresie ze względu na nieodłączne Szybkie dynamiczne zachowanie dobrze dostrojonej pętli przepływu. Jest prawdopodobne, że szybkie oscylacje zostaną stłumione przez proces niższego szczebla bez większego negatywnego wpływu.

lub wyobraź sobie, że zawór regulacyjny ma nieliniową charakterystykę przepływu (patrz blog o problemach z zaworami.) Wymaga to odłączenia pętli sterującej, aby utrzymać stabilność w całym możliwym zakresie natężeń przepływu. (Oczywiście istnieją lepsze sposoby radzenia sobie z nieliniowościami, ale to jest temat innego bloga.) Jeśli sterownik poziomu bezpośrednio napędza zawór, musi on zostać odłączony, aby utrzymać stabilność-co może skutkować bardzo słabą kontrolą poziomu. W układzie sterowania kaskadowego z pętlą sterowania przepływem napędzającą zawór, pętla przepływu zostanie odłączona w celu utrzymania stabilności. Spowoduje to stosunkowo słabą kontrolę przepływu, ale ponieważ pętla przepływu jest dynamicznie o wiele szybsza niż pętla poziomu, pętla kontroli poziomu nie ma wpływu.

Kiedy należy stosować kontrolę kaskadową?
Kontrola kaskadowa powinna być zawsze używana, jeśli masz proces o stosunkowo powolnej dynamice (jak poziom, temperatura, skład, wilgotność) i przepływ cieczy lub gazu, lub jakiś inny stosunkowo szybki proces, musi być manipulowany, aby kontrolować powolny proces. Na przykład: zmiana natężenia przepływu wody chłodzącej w celu kontroli ciśnienia skraplacza (próżnia) lub zmiana natężenia przepływu pary w celu kontroli temperatury wylotu wymiennika ciepła. W obu przypadkach pętle kontroli przepływu powinny być stosowane jako wewnętrzne pętle w układach kaskadowych.

czy sterowanie kaskadowe ma jakieś wady?
sterowanie kaskadowe ma trzy wady. Po pierwsze, do pracy wymaga dodatkowego pomiaru (zwykle natężenia przepływu). Po drugie, jest dodatkowy kontroler, który musi być dostrojony. Po trzecie, strategia sterowania jest bardziej złożona – zarówno dla inżynierów, jak i operatorów. Te wady należy porównać z korzyściami wynikającymi z oczekiwanej poprawy kontroli, aby zdecydować, czy kontrola kaskadowa powinna zostać wdrożona.

Kiedy nie należy stosować kontroli kaskadowej?
Kontrola kaskadowa jest korzystna tylko wtedy, gdy dynamika wewnętrznej pętli jest szybka w porównaniu do dynamiki zewnętrznej pętli. Kontrola kaskadowa na ogół nie powinna być stosowana, jeśli wewnętrzna pętla nie jest co najmniej trzy razy szybsza niż zewnętrzna pętla, ponieważ lepsza wydajność może nie uzasadniać dodatkowej złożoności.

oprócz zmniejszonych korzyści z kontroli kaskadowej, gdy wewnętrzna pętla nie jest znacznie szybsza niż zewnętrzna pętla, istnieje również ryzyko interakcji między dwiema pętlami, które mogłyby spowodować niestabilność – zwłaszcza jeśli wewnętrzna pętla jest dostrojona bardzo agresywnie.

jak należy stroić sterowanie kaskadowe?
układ kaskadowy powinien być dostrojony zaczynając od najbardziej wewnętrznej pętli. Gdy ten jest dostrojony, jest on umieszczany w sterowaniu kaskadowym lub zewnętrznym trybie nastawy, a następnie dostrajana jest pętla napędzająca jego punkt nastawy. Nie używaj reguł strojenia tłumiącego ćwierć amplitudy (takich jak niezmodyfikowane reguły Zieglera-Nicholsa i Cohena-Coona) do strojenia pętli sterujących w strukturze kaskadowej, ponieważ może to spowodować niestabilność, jeśli dynamika procesu wewnętrznej i zewnętrznej pętli jest podobna.