Принципы и применение каскадного управления

Thread Content

Принципы и применение каскадного управления. Компания Yunnan Changhui Instrument Manufacturing Co., Ltd. на примерах объясняет принципы каскадного управления, способы выбора приборов для каскадного управления, а также методы настройки параметров каскадных управляющих систем. Цель использования каскадного управления на промышленных предприятиях — улучшение реакции на внешние воздействия и ограничение диапазона управления нагрузкой. 1. Улучшение реакции на возмущения с помощью обратной связи. Цель использования терморегуляторов для измерения и управления заключается в том, чтобы состояние управляемого объекта (температура) как можно быстрее приближалось к целевому значению (установленной температуре и т. д.). При любых возмущениях стремятся сделать разницу между целевым значением и состоянием управляемого объекта равной нулю. Как же контроль с обратной связью снижает беспорядок в состоянии управления, вызванный помехами? Как показано на рисунке 1, в качестве примера приводится использование терморегулятора для контроля температуры лекарственной жидкости. Рис. 1. Система управления с простым обратным звуком. Компоненты системы управления с простым обратным звуком: 1. Датчики на месте; 2. Выполняющие устройства (регулирующие клапаны, частотные преобразователи и т. д.); 3. Регулятор температуры с одноканальной системой управления. При использовании такой системы для контроля температуры в условиях большой задержки целесообразно использовать регуляторы с алгоритмами искусственного интеллекта или фазового управления, а также с функцией самонастройки, чтобы избежать ситуаций, когда происходит чрезмерное или недостаточное регулирование в условиях большой задержки. Эта простая система управления с обратной связью по температуре использует степень открытия клапана для регулирования расхода пара, тем самым контролируя температуру раствора. Основными факторами, влияющими на её работу, являются изменения температуры пара и его давления. Если при возникновении таких сбоев в этой системе управления применять обратную связь, то, поскольку эти воздействия проявляются в виде изменений температуры раствора, корректирующие действия с помощью регулятора температуры невозможны до тех пор, пока это не произойдет. Поэтому очень сложно быстро устранить хаос, возникающий в результате этих сбоев. Рисунок 2. Реакция при снижении температуры пара. 2. Улучшение реакции на возмущения путем сочетания с передней обратной связью. В системе управления, показанной на рисунке 1, если можно измерять изменения температуры пара и знать точную величину корректировки, необходимую для её стабилизации (значение выходного сигнала MV), то использование этой информации вместе с передней обратной связью позволяет уменьшить негативное воздействие изменений температуры пара по сравнению с использованием только обратной связи. Рисунок 3. Структура системы управления с фидбеком. Компоненты системы управления с фидбеком: 1) датчики на месте; 2) исполнительные устройства (регулирующие клапаны, преобразователи частоты и т. д.); 3) регулятор типа PID для одного контура. При использовании такой системы для контроля температуры в условиях большой задержки желательно использовать регуляторы с алгоритмами искусственного интеллекта или фазового управления, а также с функцией самонастройки, чтобы избежать ситуаций, когда происходит чрезмерное или недостаточное регулирование при наличии большой задержки. 4) Модули сложения и вычитания. На рисунке 3 показана структура системы управления с фидбеком. Она позволяет определять температуру пара. Когда температура пара меняется, это можно быстро скорректировать, что позволяет свести к минимуму изменения температуры раствора. Однако, поскольку температура раствора не зависит от расхода пара, обычно бывает сложно правильно определить расход пара (в связи с взаимосвязью между возмущениями и изменениями состояния температуры). Поэтому использование фидбек-контроля для улучшения качества управления ограничено. Кроме того, поскольку система управления с фидбеком на рисунке 3 компенсирует только температуру пара, она не влияет на изменения давления пара. 3. Улучшение реакции на возмущения с помощью каскадного управления. В системе управления, показанной на рисунке 1, предполагаемыми возмущениями являются «изменения температуры пара» и «изменения давления пара». В любом случае эти изменения приводят к изменению энергии, поступающей в раствор, в результате чего меняется температура раствора. Следовательно, если предположить, что даже при изменении температуры или давления пара энергия, поступающая от пара в лекарственную смесь, останется неизменной, то температура лекарственной смеси сможет сохраняться на определенном уровне. С этой точки зрения речь идет о системе, в которой измеряется температура в нижней части резервуара с лекарственным раствором, обеспечивающего энергию для его подачи, и эти данные используются в контрольной схеме для управления. Рисунок 4. Схема серийной системы управления. Компоненты серийной системы управления: 1. Датчики на месте; 2. Исполнительные устройства (регулирующие клапаны, частотные преобразователи и т. д.); 3. Регулятор PID одного канала. При использовании такой системы для контроля температуры в условиях большой задержки желательно использовать регуляторы с алгоритмами искусственного интеллекта или фазового управления, а также с функцией самонастройки, чтобы избежать перерегулирования или недостаточного регулирования в таких условиях. 4. Внешний регулятор. Как показано на рисунке 4, два регулятора работают последовательно: выход одного регулятора служит входными данными для другого регулятора. Такой способ управления называется «серийным управлением». Принцип работы следующий: главный регулятор определяет целевую температуру жидкости, что в свою очередь влияет на температуру в нижней части резервуара с жидкостью. Затем эта целевая температура передается второму регулятору. Регулятор SLAVE (подчиненный) предназначен для того, чтобы температура в нижней части резервуара с раствором соответствовала целевой температуре, установленной регулятором MASTER (главным), путем определения значения выходного сигнала. Рисунок 5. Схема блоков системы последовательного управления
SV: Целевая температура раствора
FL: Поток пара
SVs: Целевая температура в нижней части резервуара с раствором
PVS: Измеряемая температура в нижней части резервуара с раствором
MV: Угол открытия клапана управления потоком
PV: Измеряемая температура раствора
G1: Характеристика ответа температуры в нижней части резервуара на изменения потока пара
G2: Характеристика ответа температуры в нижней части резервуара на изменения температуры раствора в точке измерения
В системе последовательного управления, как только происходит изменение температуры или давления пара, контроллер-подчиненный фиксирует это изменение как изменение температуры в нижней части резервуара. Для того чтобы разница между целевой температурой раствора, заданной контроллером-главным, и фактической температурой раствора была равна „0“, регулируется угол открытия клапана. Таким образом, можно быстро устранять возникающие из-за помех перепады температуры, что делает эту систему более эффективной по сравнению с простой системой обратной связи, показанной на рисунке 1. Рисунок 6. 4. Ограничение диапазона управления нагрузкой с помощью каскадного управления. Рисунок 7. Система управления температурой с одним контуром. Рисунок 8. Система управления температурой с каскадным управлением. Если значение выходного сигнала MV составляет 100%, то нагреватель может быть поврежден. Чтобы контролировать температуру нагревателя на уровне ниже 600°C, необходима последовательная система управления, показанная на рисунке 8. Если желать установить диапазон входных значений вспомогательного контроллера температуры на уровне 0–600°C, то выходные значения MV основного контроллера температуры будут составлять 0–100%. Это означает, что целевое значение SV вспомогательного контроллера температуры будет равно 0–600°C, что позволит поддерживать температуру нагревателя на уровне ниже 600°C. 5. Краткое резюме по каскадному управлению. Не знаю, понятно ли вам, как каскадное управление способствует улучшению характеристик реакции на возмущения? Рисунок 9. Блок-схема контурного управления с последовательным управлением. Как показано на рисунке 9, в контуре последовательного управления имеются 2 контура. Контур, предназначенный для получения значения управляющего входа (PV) на основе обратной связи, называется «основным контуром». Контур, расположенный внутри «основного контура», называется «подчиненным контуром». 6. Для достижения хорошей эффективности управления в режиме последовательного управления необходимо соблюдение следующих условий: ① Необходимо возможность формирования вспомогательных циклов управления. ②Помехи возникают в вспомогательных цепях. ③При задержке скорости реакции управляемого объекта на главной стороне, задержка скорости реакции управляемого объекта на вспомогательной стороне меньше. Обратите внимание, что при нарушении вышеуказанных условий каскадное управление не сможет эффективно снизить влияние возмущений в основной цепи; в таких случаях каскадное управление не даст хороших результатов. Умение профессионально настраивать параметры PID и переводить автоматические контрольные системы в автоматический режим свидетельствует о уровне навыков инженеров в области автоматизации. Однако многие люди на самом деле не владеют навыками управления с помощью метода PID и настройки его параметров.