Каскадное регулирование что это

Каскадное регулирование

Применяется на сложных объектах, когда на выходной параметр j влияет несколько возмущений, измерить которые не представляется возможным. В этом случае выбирается какой-либо объект с промежуточным параметром j₁, который измерить можно, и по нему строится регулирование объекта. Получаем первый контур регулирования. Этот регулятор не учитывает часть действующих на сложный объект возмущений, которые влияют на выходной параметр j. По параметру j строится второй контур регулирования. Регулятор второго контура управляет работой регулятора первого контура, изменяя ему задание таким образом, чтобы его работа скомпенсировала влияние возмущений на выходной параметр j. В этом состоит смысл каскадного регулирования (1-й и 2-й каскады регулирования).

Рис. 5.18. Схема САР уровня воды в барабане котла:

Н_б – уровень воды в барабане котла; D_пп – расход перегретого пара (l); W_в – расход питательной воды (m_об); ЗД – задатчик (задает значение уровня Н_б,0); ВЭК – водяной экономайзер; ПП – пароперегреватель

Рассмотрим это на схеме регулирования сложного объекта, состоящего из последовательного соединения трех объектов с возмущениями (рис. 5.19).

Регулятор промежуточного параметра j₁ стремится поддерживать его постоянным и равным j_1,0. Это 1-й каскад регулирования.

Этот регулятор учитывает только возмущение l₁. Возмущения l₂ и l₃ будут влиять на выходной параметр j. Регулятор j (2-й каскад регулирования) будет поддерживать параметр j постоянным j₀ за счет того, что через задачик переменного задания (ЗПЗ) будет изменять задание первому контуру на величину ±Dj₁. Получив это добавление задания, регулятор j₁ будет так изменять параметр j₁, чтобы скомпенсировать влияние возмущений l₂ и l₃ на выходной параметр j. Регулятор j (2-го каскада) как бы корректирует работу первого регулятора (по j₁), поэтому его называют корректирующим регулятором (КР).

Рис. 5.19. Схема каскадного регулирования:

ЗД – задатчик; ЗПЗ – задатчик переменного задания; КР – корректирующий регулятор

Примером каскадного регулирования может служить распределение тепловой нагрузки между несколькими котлами, работающими на общую паровую магистраль (рис. 5.20).

Рис. 5.20. Регулирование тепловой нагрузки котлов, работающих на общую паровую магистраль: РСЗ – размножитель сигналов задания; ГКР – главный корректирующий регулятор

В паровую магистраль два котла подают пар с расходами D_к1 и D_к2. Из паровой магистрали пар поступает к турбинам Т₁; Т₂ и Т₃ с расходами D_Т1; D_Т2 и D_Т3. Если существует баланс поступающих расходов пара от котлов и уходящих из магистрали к турбинам, то давление пара в магистрали р_м не будет изменяться (р_м,0).

Если турбины начинают потреблять больше или меньше пара, то баланс притока пара в магистраль и его расхода из магистрали нарушается, и давление р_м необходимо регулировать. Промежуточными объектами в этой системе являются котлы К₁ и К₂, а промежуточными параметрами – тепловые нагрузки котлов D_q1 и D_q2. По ним строится регулятор тепловой нагрузки (РТН), который управляет подачей топлива (газа). Это первый каскад регулирования.

Регуляторы поддерживают постоянными тепловые нагрузки D_q1,0 и D_q2,0, а тем самым и расходы пара D_к1 и D_к2. Если давление в магистрали р_м начинает изменяться (параметр j), вступает в работу регулятор давления р_м (это 2-й каскад), который в зависимости от величины отклонения давления ±Dр_м=(р_м — р_м,0) вырабатывает на выходе сигнал, и через размножитель сигналов задания (РСЗ) управляет работой регуляторов тепловой нагрузки котлов (РТН), изменяя им задание на величину ±DD_q. В соответствии с этим сигналом регуляторы РТН изменяют подачу топлива на котлы и тем самым выработку расходов пара D_к1 и D_к2 таким образом, чтобы восстановить давление в магистрали р_м.

В том случае, если и эти способы регулирования не дают желаемых результатов, идут на ограничение возмущений l.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Каскадная система регулирования — это система, в которой регулятор процесса не управляет работой клапана непосредственно, а регулирует работу другого регулятора, являющегося промежуточным звеном. Основной регулятор выхода обычно является обратной связью регулятора входа. Так как входной регулятор не имеет в своем контуре процесса, то он не может быстро внести поправку.  [1]

Динамику каскадной системы регулирования можно было бы рассчитать, если бы были известны частотные характеристики.  [2]

В варианте каскадной системы регулирования , представленной на рис. 2.5 6, дифференциатор W — n под воздействием координаты у создает сигнал только при изменении возмущения / Этот сигнал поступает на вход регулятора Wp вместе с рассогласованием х и форсирует переходные процессы в системе. Каскадные системы регулирования наиболее эффективны для сложных объектов с большой инерционностью.  [3]

На схеме в показана каскадная система регулирования уровня . Уровень h в приемной воронке измеряется, сравнивается с заданным значением и величина рассогласования уровня ДА используется для воздействия на регулятор числа оборотов, который управляет приводом червяка.  [4]

Корректирующие приборы используются в каскадных системах регулирования и реализуют также ПИ-закон.  [5]

Указанных недостатков ПИД регуляторов лишена каскадная система регулирования температуры , которая действует следующим образом. Сигнал от датчика температуры, установленного на поверхности цилиндра, поступает в пропорционально-интегральный регулятор, где сравнивается с заданной температурой. В случае превышения заданной температуры регулятор подает сигнал на включение соленоидного клапана, управляющего подачей охлаждающей жидкости в систему охлаждения контролируемой зоны цилиндра. При отклонении показаний датчика температуры, установленного вблизи внутренней поверхности цилиндра, от заданной температуры ПИД регулятор выдает сигнал на изменение заданной температуры. Аналогичная команда подается ПИД регулятором при уменьшении разности температур наружной и внутренней поверхности цилиндра в результате повышения температуры полимера под действием сил сдвига. Каскадная система обеспечивает точное поддержание температуры и быстрое ее регулирование.  [6]

Корректирующие приборы служат для образования каскадных систем регулирования .  [7]

При значительных колебаниях давления пара применяют каскадную систему регулирования давления пара с корректировкой по температуре нагретого продукта.  [9]

Некоторое снижение требований к быстродействию хроматографов достигается применением их в каскадных системах регулирования в качестве — корректора регулятора. Однако и в этом случае динамические характеристики хроматографа оказывают существенное влияние на свойства системы. Система регулирования была построена по следующей схеме.  [10]

Вариант 2 ( рис. 2.52, б) отличается от предыдущего применением каскадной системы регулирования соотношения расходов греющего пара и жидкости Сгр / 0ж у с коррекцией у по уровню жидкости. Регулятор соотношения 3 вводит статическую компенсацию возмущений по расходу жидкости, поэтому данная система регулирования предпочтительнее при сильных возмущениях по этому технологическому параметру.  [12]

Блок реализует передаточную функцию реального дифферелци-рующего или пропорционального звена, используется обычно в каскадных системах регулирования , в системах регулирования с компенсацией возмущения ( в качестве звена компенсации), а также для формирования сигнала по скорости изменения входной величины.  [13]

Так, напри-мер, используются дополнительные автономные системы регулирования смежных параметров, а также двухканаль-ные, каскадные системы регулирования и инвариантные системы, использующие корректирующий сигнал по возмущению.  [14]

В тепловозах ТЭ10 и ТЭП60 первых выпусков применяются трехфазные амплистаты типа АВ-4 для возбуждения генератора, а в 2ТЭ10Л и ряде новых тепловозов с каскадной системой регулирования генератора используется однофазный амплистат АВ-3 для возбуждения возбудителя. Введение промежуточной ступени усиления позволяет уменьшить мощность элементов магнитного регулятора. Принцип регулирования от этого не изменяется.  [15]

Каскадное управление насосами с преобразователями частоты

Управление приводом насосного оборудования – одна из самых перспективных сфер применения преобразователей частоты. С их помощью можно плавно регулировать производительность одиночных агрегатов и группы насосов, работающих на общую сеть.

Частотные преобразователи позволяют:

• Плавно изменять напор и давление.
• Снизить гидравлические потери в трубопроводе от регулирующей арматуры.
• Уменьшить потребление электроэнергии.
• Снизить нагрузку на трубопровод и практически исключить вероятность гидроударов.
• Повысить общий КПД системы водоподачи.

ПЧ также выполняют функции ПИ или ПИД-регуляторов, защиты от «сухого хода», стабилизации напряжения, защиты от аварий и ненормальных режимов работы. Рассмотрим подробнее каскадное управление частотными преобразователями группой насосов.

Схемы управление каскадами насосов

Объединение насосов в каскад применяется в системах с переменным расходом и давлением например, в сетях отопления и водоснабжения. При номинальном значении технологических параметров работает один или несколько агрегатов, называемых ведущими. В период пиковых нагрузок подключаются дополнительные насосы. Во время минимального потребления основной насос обеспечивает поддержание необходимых рабочих параметров системы.

До появление преобразователей частоты применялось релейное управления. Такие схемы обеспечивают включение/отключение резервного насоса по сигналу от датчиков давления, расхода или уровня.

При этом регулирование осуществляется ступенчато, что не всегда отвечает условиям производственного процесса. Еще один недостаток: при пуске резервного агрегата на полную производительность скорость потока в системе сильно возрастает, что приводит к гидроударам.

Схема управления, где ПЧ регулирует производительность одного насоса, а остальные запускаются и отключаются по сигналам с релейных выходов называется «постоянный мастер» (от названия схемы master-slave или ведущий-ведомый).

Такая схема обеспечивает плавную регулировку параметров согласно заданному алгоритму в номинальном рабочем диапазоне ведущего насоса. При подключении дополнительных агрегатов, схема управления становится эквивалентной релейной.

Для более точной регулировки применяют управление с «переменным мастером», к одному преобразователю частоты подключают несколько насосов.

При этом с частного преобразователя регулируются электроприводы всех насосных агрегатов в системе.

Там, где необходимо точное регулирование характеристик в широком диапазоне применяют схемы с несколькими преобразователями частоты. При этом привод всех агрегатов комплектуется ПЧ с функциями «master-slave» или «ведущий-ведомый».

Один из частотных преобразователей осуществляет прием сигнала с датчиков обратной связи, формирует и отправляет управляющие сигналы на ПЧ ведомых насосных агрегатов. Данная схема управления позволяет регулировать производительность во всем рабочем диапазне паралельно работающих насосов, осуществлять плавный пуск и отключение агрегатов в любой последовательности, реализовать управление с обратной связью по нескольким параметрам.

Функции ПИД-регулятора и контроллера может выполнять встроенный процессор ПЧ или внешнее устройство. Связь между преобразователями обеспечивается через стандартные цифровые интерфейсы, которые поддерживают устройтсва.

Преимущества и недостатки схем каскадного управления насосами

Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки. Каскадное управление с «постоянным мастером» в сравнении с релейной схемой позволяет более точно контролировать параметры систем. Еще одно преимущество – возможность отказаться от электромеханических реле в управляющей части схемы, такие элементы автоматики требуют регулярного обслуживания и замены из-за износа контактов. К недостаткам относят узкий диапазон плавного регулирования при работе резервных агрегатов.

Управление с «переменным мастером» позволяет исключить избыточную производительность и возникновение гидравлических ударов, обеспечивает возможность смены ведущего насосного агрегата, попеременную работу и равномерный износ всех насосов. К недостаткам относится необходимость применения агрегатов с однотипными двигателями одинаковой мощности, ограниченное количество подключаемых агрегатов.

Схема с одним ведущим и несколькими ведомыми ПЧ отличается точностью поддержания требуемых параметров, широким диапазоном плавного регулирования производительности. К недостаткам схемы относится высокая стоимость и относительная сложность.

Применение той или иной схемы управления каскадов насосов определяется технологической и экономической эффективностью. При невысоких требованиях к системе применяют многодвигательные преобразователи частоты с ПИД-регулированием ведущего насоса. Для более точного поддержания параметров насосов применяют схемы с «переменным мастером» и программным регулированием всех агрегатов. В системах с высокими требованиями используют схемы каскадного управления с индивидуальными ПЧ с одним ведущим устройством.

Каскадное регулирование с контроллерами KUBE

Контроллеры-регуляторы KUBE с различными типами корпуса KR, KM(1/16 DIN), KX(1/8 DIN)

Для построения, на базе контроллеров-регуляторов KUBE компании ASCON TECNOLOGIC, автоматической многоконтурной каскадной системы регулирования процессом используется решение, при котором выходной сигнал регулятора передается с ведущего (мастера) контроллера KUBE ведомым по цифровому интерфейсу RS485. Использование цифрового интерфейса передачи данных позволяет защититься от помех и позволяет объединять в одну систему до 20 приборов KUBE (KR, KM, KX), выполняющих разные функции управления: электронагревателями, регуляторами мощности, горелками, клапанами или просто обеспечивая контроль предельных параметров для безопасной работы.

Общие сведенья о каскадном регулировании

Каскадное управление широко применяется для управления различными процессами, связанными с нагревом\охлаждением, поддержанием уровня\давления, концентрации, Ph и других параметров. Его использование позволяет компенсировать задержки и предотвращать накопления энергии негативно влияющие на качество регулирования.

Каскадное регулирование расхода с ограничением по давлению

Каскадное регулирование в емкостях с нагревом\охлаждением и биохимических реакторах

Каскадное регулирование в трубчатой печи обеспечивает компенсацию запаздывания

Каскадное регулирование в управлении электрических и газовых печах закалки, отжига, спекания, обеспечивает компенсацию накопления энергии

Реализация на контроллерах KUBE

Рассмотрим классическую задачу каскадного регулирования: нагрев проточной воды в баке через теплообменник подводимым паром. Необходимость использования в такой задаче каскадного регулирования объясняется запаздыванием контура управления, причиной которого является емкость бака, высокая теплоемкость воды и сопротивление передаче теплоты от пара внутри труб к воде в баке. Запаздывание приводит к существенным колебаниям температуры воды на выходе из бака, что не допустимо во многих технологических процессах. Контур регулирования расхода позволяет существенно повысить стабильности процесса.

Схема нагрева проточной воды в баке через теплообменник паром

Для примера возьмем в качестве ведущего контроллера базовую модель 48х48 KM1-HCRR-DS—E—-, ведомым будет KM3-HCRMMD—E—- с возможностью управления положением клапана сигналами больше-меньше. Связь между контроллерами обеспечим через адаптер ARS1.

Контроллеры-регуляторы KM1, KM3 и адаптер ARS1 общий вид

Настройки KUBE для организации многоконтурного регулирования

[84] SP.rt — параметр определяет, как ведомые устройства будут использовать значение, поступающее по последовательной связи:

• rSP поступающее значение, используется в качестве удаленной уставки (RSP).
• trin поступающее значение, будет алгебраически добавлено к локальной заданному значению, заданному в A.SP, и сумма будет использоваться в качестве удаленной уставки.
• PErc поступающее значение, будет масштабироваться на входном диапазоне AI, и полученное значение будет использоваться в качестве удаленной уставки.

• Loc локальная уставка выбрана в [83] A.SP;
• rEn удаленная уставка (получаем по последовательной связи).

Пример отображения параметра SP.rt & SPLr на экране KM

[131] Add Адрес прибора в сети. Диапазон: oFF — если интерфейс не используется или значение от 1 до 254.

[132] bAud — скорость в бодах. Доступно, когда [131] отличается от oFF. Диапазон: от 1200 до 38400 бод. По умолчанию устанавливается 9600.

[133] trSP — выбор значения для удаленной передачи. Доступно, когда [131] отличается от oFF. Диапазон:

• nonE передача не используется (прибор является ведомым);
• rSP прибор передает рабочую уставку (только для ведущего прибора);
• PErc прибор передает выходную мощность (только для ведущего прибора).

Пример отображения параметров Add, bAud и trSP на экране KM

Настройка параметров в ПО для конфигурирования KUBE через ключ A01

В нашем примере параметры контроллеров будут следующие:

[84] SP.rt = PErc настраивается только в ведомых: масштабирование задания в соответствии с диапазоном с входным диапазоном ведомого контроллера – в данном случае с диапазоном измерения расходомера.

[85] SPLr =rEn настраивается только в ведомых: удаленное получение задания.

[131] Add у каждого контроллера свой адрес: 1 ведущий и 2 ведомый.

[132] bAud – можно оставить 9600 по умолчанию.

[133] trSP = PErc настраивается в ведущем.

Алгоритм управления 2-ПИД обеспечит быстрый выход на заданное значение и более устойчивую работу установки при наличии возмущающих воздействий, а нечеткая функция защиты от перерегулирования и рысканья дополнительно повысит качество регулирования.

Первоначально производится автоматическая настройка ПИД ведомого контура с фиксированным заданием с ведущего контроллера (в режиме ручного управления MAN), а уже после этого провидится автоматическая настройка регулятора ведущего контроллера.

Запуск автоматической настройки EVOTune

Автонастройка EVOtune не требует предварительного выставления коэффициентов ПИД регулятора и повторного запуска. Только в ведомом контуре необходимо задать время полного открытия клапана и длительность минимального управляющего сигнала (в KX6 доступна автоопределение этих параметров).

KUBE так же могут предложить дополнительные функции в таком применении:

• ведущий контроллер может управлять выходным клапаном, перекрывая подачу воды если она холоднее или горячее установленных пределов вычисляемых относительно задания, или если контур регулирования выключен;
• пуск каскада можно осуществлять по дискретному входу от внешней кнопки. Включение в цепь сигналов с датчика протока воды и реле давления пара сделают систему более безопасной.

Расширенная схема нагрева проточной воды в баке через теплообменник паром

Трех цветная индикация однозначно покажет состояние зоны: ниже задания – оранжевый, в допустимой зоне — зеленый, перегрев или авария — красный.

Диаграмма изменения цвета отображаемой величины в KUBE

Функции определения обрыва цепи управления (Loop Break Alarm) так же поможет остановить процесс до того, как он выйдет за допустимые пределы.

Функции определения обрыва цепи управления LbA — Loop Break Alarm

Несомненную пользу в контроле за работой установки принесут счетчики времени наработки приборов и исполнительных элементов, которые так же можно использовать и для: Как напомнить забывчивым клиентам об оплате за оборудование.

Сообщение о периодическом обслуживании

Создание сложных автоматизированных систем регулирования

Контроллеры-регуляторы серий X5, Q5 и AC3 для многоконтурного регулирования

Для систем каскадного регулирования с внешним заданием уставок (c панели оператора, контроллеров, SCADA систем) и контролем работы (SCADA), а также реализации более сложных комбинированных контуров с более сложными/не линейными функциями пересчета заданий рекомендуем использовать контроллеры регуляторы серий X5 (48х96), Q5 (96×96), AC3 ( 72×144 мм ) или программируемый контроллер процесса NANOPAC NP4.