Was ist Kaskadenregelung?
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.
Die Kaskadenregelung kann die Leistung des Steuerungssystems gegenüber der Einzelregelung verbessern, wenn entweder: (1) Störungen einen messbaren Zwischen- oder Sekundärprozessausgang beeinflussen, der sich direkt auf den primären Prozessausgang auswirkt, den wir steuern möchten; oder (2) Die Verstärkung des Sekundärprozesses, einschließlich des Aktuators, ist nichtlinear. Im ersten Fall kann eine Kaskadenregelung die Wirkung der in die Sekundärgröße eintretenden Störungen auf den Primärausgang begrenzen. Im zweiten Fall kann ein Kaskadenregelsystem die Auswirkung von Variationen der Aktuator- oder Sekundärprozessverstärkung auf die Leistung des Steuerungssystems begrenzen. Solche Verstärkungsschwankungen entstehen üblicherweise durch Betriebspunktänderungen aufgrund von Sollwertänderungen oder anhaltenden Störungen.
Wann sollte die Kaskadenregelung verwendet werden?
Kaskadensteuerung 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. Beispielsweise: 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?
Die Kaskadenregelung 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 keine Kaskadenregelung verwendet werden?
Die Kaskadenregelung ist nur dann vorteilhaft, wenn die Dynamik der inneren Schleife im Vergleich zur Dynamik der äußeren Schleife schnell ist. 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 Wechselwirkung 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.