Prinzipien und Anwendungen der Kaskadensteuerung

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Prinzipien und Anwendungen der Kaskadensteuerung: Die Yunnan Changhui Instrument Manufacturing Co., Ltd. erläutert anhand von Beispielen die Prinzipien der Kaskadensteuerung, die Auswahl der geeigneten Steuereinrichtungen sowie die Methoden zur Einstellung der Parameter des Kaskadensystems. Der Einsatz der Kaskadensteuerung in der Industrie dient dazu, die Reaktion auf äußere Störungen zu verbessern und den Kontrollbereich der Last einzuschränken. 1. Verbesserung der Reaktion auf Störungen durch Rückkopplungssteuerung: Der Zweck der Verwendung eines Temperaturreglers zur Mess- und Steuerung besteht darin, den Zustand des zu steuernden Objekts (die gemessene Temperatur) schnell auf den Zielwert (z. B. die eingestellte Temperatur) zu bringen. Bei jeder Störung soll die Differenz zwischen dem Zielwert und dem Zustand des zu steuernden Objekts null sein. Wie unterdrückt die Rückkopplungskontrolle also die durch Störungen verursachte Unordnung im Steuerzustand? Wie in Abbildung 1 dargestellt, wird anhand der Verwendung eines Temperaturreglers zur Steuerung der Temperatur der Lösung wie folgt erklärt. Abbildung 1: Ein einfaches Rückkopplungssystem. Bestandteile eines einfachen Rückkopplungssystems: 1. Sensoren vor Ort, 2. Aktoren (Regelventile, Frequenzumwandler usw.), 3. Einzelkreis-Temperaturregler. Bei Anwendungen zur Temperaturregelung bei großen Verzögerungen ist es am besten, einen Regler zu verwenden, der über KI- oder Fuzzy-Steueralgorithmen verfügt sowie selbstjustierend ist. Dadurch wird sichergestellt, dass es weder zu Überregelung noch zu Unterregelung kommt. Dieses einfache Temperatur-Feedback-Steuerungssystem verwendet die Öffnungsgrad der Ventile, um den Dampffluss zu verändern und somit die Temperatur der Flüssigkeit zu steuern. Zu den Hauptstörungen gehören Temperaturschwankungen des Dampfs sowie Druckschwankungen des Dampfs. Wenn in diesem Steuerungssystem solche Störungen auftreten und Rückkopplungssteuerung angewandt wird, ist es schwierig, die durch die Störungen verursachten Reaktionsstörungen schnell zu beseitigen – schließlich können die Auswirkungen dieser Störungen erst dann durch den Temperaturregler korrigiert werden, wenn sich diese als Veränderungen der Temperatur der Flüssigkeit zeigen. Abbildung 2: Reaktion bei einem Rückgang der Dampftemperatur 2. Verbesserung der Reaktion auf Störungen durch Kombination mit Vorsteuerung. Im Steuerungssystem aus Abbildung 1 kann, sofern sich die Änderungen der Dampftemperatur messen lassen und man genau weiß, welche Korrekturmaßnahmen erforderlich sind (Ausgangswert MV), die Wirkung von Schwankungen der Dampftemperatur durch die Kombination mit Vorsteuerung verbessert werden – im Vergleich zur Verwendung nur der Rückkopplungssteuerung. Abbildung 3: Aufbau eines Vorwärtsregelsystems
Die Komponenten eines Vorwärtsregelsystems sind:
1. Feldsensoren
2. Aktoren (Regelventile, Frequenzumrichter usw.)
3. Einfachkreis-PID-Regler
Bei Anwendungen mit großen Verzögerungen, wie z. B. bei der Temperaturregelung, ist es ratsam, Regler zu verwenden, die über KI- oder Fuzzy-Steueralgorithmen verfügen sowie selbstjustierend sind. Dadurch wird sichergestellt, dass es bei großen Verzögerungen weder zu Über- noch Unterregelung kommt.
4. Addition-/Subtraktionsmodul
Abbildung 3 zeigt ein Vorwärtsregelsystem. Dabei wird die Temperatur des Dampfs erfasst. Wenn sich die Temperatur des Dampfs ändert, kann diese Änderung schnell korrigiert werden. Dadurch können die Schwankungen der Dampftemperatur auf ein Minimum beschränkt werden. Doch da die Temperatur der Medikamentenlösung nicht vom Dampffluss beeinflusst wird, ist es im Allgemeinen schwierig, den Dampffluss richtig einzustellen (da die Beziehung zwischen Störungen und Veränderungen des Temperaturverlaufs komplex ist). Dadurch sind Verbesserungen der Steuerungsergebnisse durch die Kombination mit Vorsteuerung eingeschränkt. Außerdem kompensiert das Feedforward-Steuerungssystem in Abbildung 3 nur die Dampftemperatur, wodurch es keinen Einfluss auf Schwankungen des Dampfdrucks hat. 3. Verbesserung der Reaktion auf Störungen durch serielle Steuerung: In dem in Abbildung 1 dargestellten Steuerungssystem werden als Störungen eine „Veränderung der Dampftemperatur“ sowie eine „Veränderung des Dampfdrucks“ angenommen. In jedem Fall führen diese Veränderungen zu einer Veränderung der Energiezufuhr an die Flüssigkeit – mit der Folge, dass sich auch die Temperatur der Flüssigkeit ändert. Daher kann angenommen werden, dass die Temperatur der Lösung konstant bleibt, sofern die Energie, die durch den Dampf an die Lösung abgegeben wird, unverändert bleibt – auch dann, wenn sich die Temperatur oder der Druck des Dampfs ändert. Aus dieser Sichtweise heraus handelt es sich um ein System, das die Temperatur im unteren Bereich des Behälters zur Zufuhr der Medikamentenlösung misst und diese Werte in den Steuerkreislauf einbezieht, um die Steuerung zu ermöglichen. Abbildung 4: Aufbau eines seriellen Regelungssystems
Die Komponenten eines seriellen Regelungssystems sind:
1. Feldsensoren
2. Aktoren (Regelventile, Frequenzumwandler usw.)
3. Einzelkreis-PID-Regler
Bei Anwendungen mit großen Zeitverzögerungen, wie z.B. bei der Temperaturregelung, ist es ratsam, Regler zu verwenden, die über KI- oder Fuzzy-Steueralgorithmen verfügen sowie selbstjustierend sind. Dadurch wird sichergestellt, dass es bei großen Zeitverzögerungen weder zu Überregelung noch zu Unterregelung kommt.
4. Externer Eingangsregler
Wie in Abbildung 4 dargestellt, arbeiten die beiden Regler in Reihe. Die Ausgabe eines Reglers dient als Eingangswert für den anderen Regler. Diese Art der Steuerung wird als „serielle Regelung“ bezeichnet. Die Funktionsweise ist folgende: Der MASTER-Regler sorgt dafür, dass die Temperatur der Flüssigkeit auf den gewünschten Wert gebracht wird. Dabei wird die Temperatur im unteren Bereich des Behälters bestimmt. Die Ausgabe des MASTER-Reglers dient anschließend als Zielwert für den SLAVE-Regler. Der Temperaturregler SLAVE (Untergeordnet) dient dazu, die „Temperatur im unteren Bereich des Lösungsmittelbehälters“ auf die vom Temperaturregler MASTER (Hauptregler) festgelegte Zieltemperatur zu bringen, indem er den „Stellwert der Steuerung“ bestimmt. Abbildung 5: Blockdiagramm des seriellen Regelkreises
SV: Zieltemperatur der Flüssigkeit
FL: Durchflussmenge des Dampfes
SVs: Zieltemperatur im unteren Bereich des Behälters mit der Flüssigkeit
PVS: Messtemperatur im unteren Bereich des Behälters mit der Flüssigkeit
MV: Öffnungsgrad der Steuerventile
PV: Messtemperatur der Flüssigkeit
G1: Reaktionscharakteristik der Temperatur im unteren Bereich des Behälters auf die Durchflussmenge des Dampfes
G2: Reaktionscharakteristik der Temperatur im unteren Bereich des Behälters auf die Temperatur am Messpunkt der Flüssigkeit

Im seriellen Regelkreis wird jede Veränderung der Temperatur oder des Drucks des Dampfes vom SLAVE-Regler als Temperaturveränderung im unteren Bereich des Behälters erkannt. Um einen Temperaturunterschied von „0“ zwischen der von dem MASTER-Regler festgelegten Zieltemperatur und der tatsächlichen Temperatur im Behälter zu erreichen, wird der Öffnungsgrad der Steuerventile angepasst. Dadurch kann man erkennen, dass das serielle Regelungssystem Störungen, die zu Temperaturschwankungen führen, schneller ausgleichen kann als ein einfaches Rückkopplungssystem wie in Abbildung 1. Abbildung 6: 4. Begrenzung des Lastbereichs durch serielle Steuerung. Abbildung 7: Einzugskreis-basiertes Temperaturregelsystem. Abbildung 8: Seriell gesteuertes Temperaturregelsystem. Wenn der Steuerausgangswert MV bei 100 % liegt, kann es dazu kommen, dass der Heizer überhitzt und zerstört wird. Um die Temperatur des Heizers auf unter 600 °C zu halten, ist die serielle Steuerung aus Abbildung 8 erforderlich. Wenn man den Eingangsbereich des untergeordneten Temperaturcontrollers auf 0–600 °C einstellen möchte, dann entspricht die Ausgabe des Haupttemperaturcontrollers in Form von MV-Werten im Bereich 0–100 % dem Zielwert SV des untergeordneten Temperaturcontrollers, der ebenfalls 0–600 °C beträgt. Dadurch kann die Temperatur des Heizers unter 600 °C gehalten werden. 5. Zusammenfassung der Kaskadensteuerung: Versteht man, wie durch die Kaskadensteuerung die Eigenschaften der Reaktion auf Störungen verbessert werden? Abbildung 9: Blockdiagramm des seriellen Regelkreises. Wie in Abbildung 9 zu sehen ist, besteht der Regelkreis der seriellen Steuerung aus 2 Kreisen. Der Kreis, der dazu dient, den zu steuernden Wert (PV) zurückzugeben, wird als „MASTER-Kreis“ bezeichnet. Der Kreis, der innerhalb des „MASTER-Kreises“ liegt, wird als „SLAVE-Kreis“ bezeichnet. 6. Um bei der seriellen Steuerung gute Steuerungsergebnisse zu erzielen, müssen folgende Bedingungen erfüllt werden: ① Es muss eine abhängige Schleife möglich sein. ②Die Störung tritt im abhängigen Schaltkreis auf. ③Beim Verzögerung der Reaktionsgeschwindigkeit des Steuerobjekts auf der Hauptseite ist die Verzögerung bei dem Steuerobjekt auf der untergeordneten Seite geringer. Bitte beachten Sie, dass bei nicht erfüllten oben genannten Bedingungen die serielle Steuerung Störungsreaktionen im Hauptkreislauf nicht gut verbessern kann und daher keine guten Steuerungsergebnisse erzielt wird. Die Fähigkeit, PID-Parameter geschickt einzustellen und Steuerungssysteme in den Automatikmodus zu versetzen, zeigt das Niveau der Automatisierungsfähigkeiten von Ingenieuren. Doch viele Menschen beherrschen die PID-Steuerung sowie die Einstellung der PID-Parameter tatsächlich nicht.