Che cosa è Cascade Control?
Nel controllo ad anello 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.
Il controllo a cascata può migliorare le prestazioni del sistema di controllo rispetto al controllo a ciclo singolo ogni volta che: (1) I disturbi influenzano un’uscita di processo intermedia o secondaria misurabile che influenza direttamente l’uscita di processo primaria che desideriamo controllare; o (2) il guadagno del processo secondario, incluso l’attuatore, non è lineare. Nel primo caso, un sistema di controllo a cascata può limitare l’effetto dei disturbi che entrano nella variabile secondaria sull’uscita primaria. Nel secondo caso, un sistema di controllo a cascata può limitare l’effetto delle variazioni dell’attuatore o del guadagno di processo secondario sulle prestazioni del sistema di controllo. Tali variazioni di guadagno di solito derivano da cambiamenti nel punto di funzionamento a causa di cambiamenti di setpoint o disturbi sostenuti.
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. Biru: 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 in 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 in 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 devono 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.