3.5.1. Каскадные системы регулирования

Рассмотрим задачу повышения качества управления с помощью каскадных систем регулирования (Cascade Control). Каскадные системы – системы, построенные по иерархическому признаку, и представляют особый вид 2-х (или много) уровневых систем. Характерная особенность таких систем: только на нижнем уровне управляющее воздействие реализуется изменением потока энергии, вещества и т. д. Одним из наиболее распространенных типов каскадных систем являются системы со стабилизирующим регулятором. Структурная схема такой системы имеет следующий вид.

Здесь Р1 – стабилизирующий регулятор (вспомогательный, подчиненный), а Р2 – корректирующий регулятор (основной, командный).

Эффективность применение такой схемы. На управляемый объект действуют сильные возмущения со стороны регулирующего органа (внутренние возмущения.) Есть некоторые промежуточные переменные, которые характеризуются значительно меньшей величиной транспортного и инерционного запаздывания по отношению к возмущению, чем основная управляемая величина. Например, регулирование температуры верха ректификационной колонны изменением расхода флегмы. Расход флегмы поддерживается вспомогательным регулятором, а основной регулятор решает задачу стабилизации температуры укрепляющей части колонны. Такую систему обычно называют: «система стабилизация расхода флегмы с коррекцией по температуре верха колонны». Выходная координата главного регулятора является заданием вспомогательному регулятору. Внутренний вспомогательный контур управления представляет следящую систему, а основной решает задачу отработки внешних возмущений.

Рассмотренная система включает два управляющих устройства. Если применяется ПИ-алгоритм, то условие оптимальной настройки необходимо решать, рассматривая 4 параметра настройки; а если ПИД , то шесть параметров (4-х и 6-ти мерное пространство параметров настройки).

Сам принцип построения такой системы предполагает, что она будет эффективна, если инерционность по каналам основных и вспомогательных величин значительно отличается друг от друга. Поэтому расчет такой системы проводят, предполагая, что можно рассчитать какой-либо один контур независимо от другого, а следующий контур рассчитывается с учетом найденных на 1-ом шаге настроечных параметров. Таким образом, реализуется принцип декомпозиции, когда оптимизационная задача решается последовательно путем решения более простых задач. Если инерционность основного контура значительно больше инерционности вспомогательного контура, то на 1-м этапе рассчитываются обычными методами настройки стабилизирующего регулятора, а на 2-ом этапе рассчитываются настройки основного корректирующего регулятора. На втором этапе в структуру объекта управления включен стабилизирующий контур регулирования, и передаточная функция виртуального эквивалентного объекта имеет вид

.

При другом способе расчета на первом шаге рассчитываются настройки основного регулятора. Передаточная функция эквивалентного объекта в этом случае принимает вид

.

Рассмотренные методы предполагают возможность расчета, какого – либо контура регулирования независимо от другого. Такое предположение проверяется моделированием системы. На этапе моделирования возможен поиск оптимальных настроек по прямым показателям качества, если это необходимо.

На стадии реализации двухконтурной системы необходимо учесть ее следующие особенности. Потеря информационного сигнала по вспомогательной переменной делает систему структурно неустойчивой. Это происходит, если в законах основного и вспомогательного регулятора есть интегральная составляющая. Потеря информационного сигнала по основной переменной приводит регулирующий орган в одно из крайних положений. В связи с этим повышаются требования по надежности информационных каналов. Для исключения состояния неустойчивости на выходе основного регулятора устанавливается блок ограничения сигнала (реализуется аппаратно или программно). Блок ограничения сигнала является элементом с нелинейной характеристикой. При форс-мажорных обстоятельствах в такой системе, как правило, возникает режим автоколебаний (управляемый режим работы системы).

Каскадная схема регулирования в сравнении с одноконтурной системой эффективна только при отработке внутренних возмущений. При появлении проблем с реализацией внутреннего контура, вызванных его быстродействием идут на применение статического закона регулирования. Обычно такая проблема возникает в пневматических системах регулирования, в контурах стабилизации расхода жидкости.