Каскадне регулювання з докладним прикладом

Каскадне регулювання - це регулювання, в якому два або більше контурів регулювання з'єднані так, щоб вихід одного регулятора коригував уставку іншого регулятора.

На малюнку вище приведена блок-схема, яка ілюструє поняття каскадного регулювання. Блоки на діаграмі фактично представляють компоненти двох контурів регулювання: провідний контур, який складений з елементів системи регулювання A, E, F, і G і ведений контур, який складений з елементів системи регулювання A, BC, і D. Вихід регулятора провідного контуру є завданням (уставкой) для регулятора веденого контуру регулювання. Регулятор веденого контуру виробляє керуючий сигнал для виконавчого механізму.

Для процесів, які мають значні характеристики запізнювання (ємність або опір, які уповільнюють зміни змінної), ведений контур регулювання каскадної системи може виявити неузгодженість в процесі раніше і зменшити тим самим час, потрібний для усунення неузгодженості. Можна сказати, що ведений контур регулювання «ділить» запізнювання і зменшує вплив обурення на процес.

В системі каскадного регулювання використовується більше, ніж один первинний чутливий елемент, і регулятор (в підпорядкованому контурі регулювання) отримує більше, ніж один вхідний сигнал. Отже, система каскадного регулювання - це багатоконтурна система регулювання.

Приклад системи каскадного регулювання

Теплообмінник з одноконтурной системою регулювання зі зворотним зв'язком

В наведеному вище прикладі контур регулювання буде в підсумку провідним контуром при побудові системи каскадного регулювання. Ведений контур буде додано пізніше. Мета цього процесу полягає в тому, щоб нагріти воду, що проходить через внутрішній простір теплообмінника, огинаючи труби, по яких пропускається пар. Одна з особливостей процесу - то, що корпус теплообмінника має великий обсяг і містить багато води. Велика кількість води має ємністю, що дозволяє зберігати велику кількість теплоти. Це означає, що, якщо температура води на вході в теплообмінник зміниться, ці зміни виявляться на виході теплообмінника з великою запізненням. Причиною запізнення є велика ємність. Іншою особливістю цього процесу є те, що парові труби чинять опір передачі теплоти від пари усередині труб до води зовні труб. Це означає, що буде матися запізнювання між змінами в паровому потоці і відповідними змінами температури води. Причиною цього запізнювання є опір.

Первинний елемент в цьому контурі регулювання контролює температуру води на виході з теплообмінника. Якщо температура води на виході змінилася, відповідні фізичні зміни первинного елемента вимірюються вимірювальним перетворювачем, який перетворює значення температури в сигнал, що посилається регулятору. Регулятор вимірює сигнал, порівнює його з уставкой, обчислює різницю і потім виробляє вихідний сигнал, який управляє регулюючим клапаном на паровій лінії, що є кінцевим елементом контуру регулювання (регулюючим органом). Паровий регулюючий клапан або збільшує, або зменшує потік пара, забезпечуючи повернення температури води до уставці. Однак, через характеристик запізнювання процесу, зміна температури води буде повільним, і потрібен тривалий час перш, ніж контур регулювання зможе зчитувати на скільки температура води змінилася. На той час, можуть відбутися занадто великі зміни температури води. В результаті, контур регулювання виробить надлишково сильне котра управляє вплив, що може привести до відхилення в протилежну сторону (перерегулювання), і знову буде "чекати" результат. У зв'язку з повільною реакцією подібно цієї, температура води може циклічно коливатися вгору і вниз протягом довгого часу, перш ніж прийде до стійкого стану, повернувшись на значення уставки.

Теплообмінник з каскадної системою регулювання

Перехідний процес системи регулювання поліпшується, коли система доповнюється другим контуром каскадного регулювання, як показано на малюнку вище. Доданий контур - це ведений контур каскадного регулювання.

Тепер, коли змінюється витрата пара, ці зміни будуть зчитуватися чутливим елементом витрати (B) і вимірюватися вимірювальним перетворювачем (C), який посилає сигнал відомому регулятору (D). У той же самий час, температурний чутливий елемент (E) в провідному контурі регулювання сприймає будь-яка зміна температури води на виході теплообмінника. Зміни ці вимірюються вимірювальним перетворювачем (F), який посилає сигнал ведучому регулятору (G). Цей регулятор виконує функції вимірювання, порівняння, обчислення і виробляє вихідний сигнал, який надсилається відомому регулятору (D). Цей сигнал коригує уставку веденого регулятора. Потім ведений регулятор порівнює сигнал, який він отримує від датчика витрати (C), з новою уставкой, обчислює різницю і виробляє коригуючий сигнал, який надсилається на регулюючий клапан (A), щоб коригувати витрата пара.

В системі регулювання з додаванням до основного контуру веденого контуру регулювання будь-яка зміна витрати пари негайно зчитується додатковим контуром. Необхідна корекція виконується майже відразу, перш, ніж обурення від парового потоку впливає на температуру води. Якщо відбулися зміни температури води на виході з теплообмінника, чутливий елемент сприймає ці зміни і ведучий контур регулювання коригує уставку регулятора в підпорядкованому контурі регулювання. Іншими словами, він встановлює контрольну точку або "зміщує" регулятор в підпорядкованому контурі регулювання так, так, щоб скорегувати витрата пара, з метою забезпечення заданої температури води. Однак, це реакція регулятора веденого контуру регулювання на зміни витрати пари зменшує час, необхідний для компенсації впливу обурення з боку парового потоку.

Двопозиційне регулювання регулювання, при якому регулювальний орган переміщується з одного крайнього положення в інше і назад: увімкнене

Диференціальне регулювання вироблення складової вихідного сигналу регулятора в залежності від швидкості відхилення регульованої змінної

Інтегральне регулювання формує регулюючий вплив пропорційно інтегралу відхилення регульованої величини так довго, поки існує відхилення

Пропорційний спосіб регулювання, при якому характеристики вихідного сигналу пропорційні характеристикам вхідного сигналу

ПІД-регулятор прилад для управління технологічним процесом, заснований на трьох законах регулювання: пропорційному, інтегральному і диференціальному