Одноконтурные и многоконтурные, связанные и несвязанные системы автоматического управления, прямое и непрямое регулирование. Каскадное регулирование Связанное и несвязанное регулирование

Структурная схема системы несвязного регулирования двухмерного объекта имеет вид:

Ошибка регулирования

Управляющее воздействие

Измеряемые регулируемые величины

Неизмеряемые выходы по основным каналам с передаточной функцией и

Регуляторы с передаточными функциями и

Используя дискретные передаточные функции регуляторов основных и перекрестных каналов, опишем систему несвязного регулирования:

Преобразуем систему (2.0) путем подстановки, получив уравнение связи выходов системы от ее входов

(2.2)

В первое уравнение вместо подставим правую часть второго уравнения:

(2.3)

Аналогично, при подстановке во второе уравнение вместо правой части первого уравнения, можно получить зависимость выхода от и .

Из уравнения (2.3) видно, что каждая регулируемая величина зависит и от первого входа системы , и от второго входа системы . Покажем, что устойчивость несвязанной системы в этом случае уменьшается. Для этого примем, что передаточные функции объекта по основным и перекрестным каналам равны между собой и равны между собой передаточные функции регуляторов.

Тогда уравнение (2.3) примет вид:

(2.4)

Если в объекте отсутствуют перекрестные связи, то выходная величина зависит только от задания в соответствии со следующим выражением:

В соответствии с критерием Найквиста, для того, чтобы замкнутая одноконтурная система была устойчива (если разомкнутая устойчива), необходимо, чтобы годограф АФЧХ разомкнутой системы не охватывал точку с координатами . Исходя из этого, в несвязной системе регулирования, если принять равным нулю, данный критерий будет тем же самым, с той только разницей, что координаты критической точки будут . Таким образом в несвязной системе регулирования сужается область устойчивого регулирования, что уменьшает устойчивость системы и ухудшает качество переходного процесса. Если при расчете оптимальных настроек регулятора в системе несвязного регулирования не учитывать внутренние перекрестные связи, то система может быть неустойчивой. Для сохранения устойчивости системы несвязного регулирования при наличии внутренних связей приходится уменьшать коэффициент усиления по сравнению с коэффициентами усиления регуляторов при отсутствии перекрестных связей на столько, чтобы годограф АФЧХ разомкнутой системы не охватывал точку с координатами .

Очевидно, что это может быть достигнуто путем значительного достижения коэффициента усиления регулятора, т.е. скорости действия регулятора, что резко ухудшает качество регулирования. Поэтому при сильных внутренних связях возможность получить высокое качество регулирования необходимо искать не в корректировке структур и настроек несвязанных между собой регуляторов, а «развязывая» внутренние связи по перекрестным каналам. Т.е. необходимо менять структуру самой системы. Ослабить или полностью «развязать» перекрестные связи можно двумя способами:

1. выбирая в качестве регулируемых величин несвязанные или слабо связанные между собой параметры;

2. создание системы связанного регулирования, путем введения в АСР дополнительных внешних компенсирующих связей между регуляторами

Система несвязанного регулирования проще, надежнее и дешевле систем связного регулирования. Они реализуемы даже в тех случаях, когда системы связного регулирования технически неосуществимы. Однако, они восприимчивы к возмущающим воздействиям, распространяются по основным и перекрестным каналам, что может привести к ухудшению качества регулирования и, как наилучший вариант, потере устойчивости. Преимущества систем несвязного регулирования заставляет искать пути распространения области их применения на объекты, с взаимосвязанными регулируемыми величинами с сохранением удовлетворяющего качества регулирования. Степень связи двух регулируемых величин можно определить, используя передаточные функции объекта по основным и перекрестным каналам. Степень связи по первому основному каналу равна отношению его передаточной функции к передаточной функции второго основного канала: . Степень связи по второму перекрестному каналу равна отношению передаточной функции этого канала к передаточной функции первого основного канала: . Общая степень связи между регулирующими величинами: . В зависимости от величины общей степени связи можно рекомендовать один из следующих вариантов регулирования:

При таком соединении регуляторов основными станут каналы и ,общая степень связи будет характеризоваться новым значением . Если окажется, что общая степень связи значений меньше 1, то может быть применена система несвязного регулирования;

3. при соотношении , степень связи существенна, что может значительно уменьшить устойчивость системы несвязного регулирования; в этом случае необходимо устранить или существенно ослабить внутренние связи в АСР;

4. «развязать» регулирование величин при наличии перекрестных связей можно, если осуществляется регулирование величин с различными динамическими характеристиками, что уменьшает их взаимосвязь через процесс, например, регуляторы давления работаю обычно на более высоких частотах, чес регуляторы температуры, что определяет их слабое взаимное влияние друг на друга.

Подходы к настройке несвязной системы регулирования могут быть следующими:

1. настройка в одноконтурных системах;

2. одновременная оптимизация регуляторов в системе несвязного регулирования с учетом влияния основных и переходных каналов.

При первом подходе используются модели основных каналом и соответствующие регуляторы. Из них составляются одноконтурные системы регулирования, в которых проводится настройка соответствующих регуляторов одним из численных методов. Достоинством данного подхода к настройке регуляторов является простота и высокая скорость.

Из системы уравнений взаимосвязи выходов объекта ( и ) и входов системы ( и ) (2.3), (2.4) следует, что регулируемая величина зависит не только от динамических свойств основного канала и регулятора , но и от динамических свойств второго основного канала , перекрестных каналов , и от второго регулятора . Аналогично и параметр . Поэтому настройку управляющей части системы необходимо вести с учетом динамических свойств не только соответствующего основного канала, но и с учетом влияния динамики перекрестных каналов. Поэтому недостатком этого подхода к настройке регуляторов является неоптимальность получаемых настроечных параметров.

Рассмотрим второй подход. Расчет переходного процесса в системе несвязного регулирования осуществляется по следующей системе конечно-разностных уравнений:

, где весовые коэффициенты, для которых выполняются следующие условия:

Показатели качества по соответствующему выходу системы, использующиеся в качестве критериев оптимизации. Больший из весовых коэффициентов присваивается показателю качества того выхода, регулирование которого является наиболее важным.

При использовании свертки задача оптимизации формируется следующим образом: . При использовании в качестве численного метода оптимизации метода градиента алгоритм оптимизации (схема алгоритма) будет таким же, как и для одноконтурной системы. Разница будет заключаться в том, что при расчете переходного процесса будет использоваться система уравнений (3.0) и начальными условиями (3.1). При расчете частных производных критерия по оптимальным настройкам может быть использован один из двух рассмотренных выше подходов (с использованием квазианалитических рекуррентных зависимостей и без них). При использовании конечно-разностных уравнений необходимо взять частные производные от всех уравнений системы (3.0) по всем настройкам обоих регуляторов. Начальные условия для расчета численных значений полученной системы конечно-разностных уравнений необходимо задать аналогично начальным условиям (3.1).

В настоящее время существует целое множество систем автоматического регулирования (САР) или как их еще называют – системы автоматического управления (САУ). В данной статье рассмотрим некоторые способы регулирования и виды САУ.

Прямое и непрямое регулирование

Как известно, всякая САУ состоит из регулятора и объекта регулирования. В регуляторе имеется чувствительный элемент, который отслеживает изменения регулируемой величины от величины заданного сигнала управления. В свою очередь, чувствительный элемент производит воздействие на регулирующий орган, который в свою очередь изменяет параметры системы таким образом, чтоб значение заданной и регулируемой величины стали одинаковыми. В самых простых регуляторах воздействие чувствительного элемента на регулирующий орган происходит непосредственно, то есть они напрямую соединены. Соответственно такие САР называют системами прямого регулирования, а регуляторы – регуляторами прямого действия, как это показано ниже:

В такой системе энергия, необходимая для перемещения задвижки, регулирующей подачу воды в бассейн, поступает непосредственно от поплавка, который здесь будет чувствительным элементом.

В САР непрямого регулирования для организации перемещения органа регулирования используют вспомогательные устройства, использующие для своей работы дополнительные источники энергии. В такой системе чувствительный элемент будет воздействовать на орган управления вспомогательного устройства, которое, в свою очередь, переведет регулирующий орган в нужное положение, как показано ниже:

Здесь поплавок (чувствительный орган) воздействуют на контакт обмотки возбуждения электродвигателя, который вращает задвижку в нужном направлении. Такие системы применяют, когда мощности чувствительного элемента не хватает для управления рабочим механизмом или необходимо иметь очень высокую чувствительность элемента измерения.

Одноконтурные и многоконтурные САУ

САР современные очень часто, практически всегда, имеют параллельные корректирующие устройства или местные обратные связи, как это показано ниже:

САР, в которых регулированию подлежит только одна величина, и они имеют только одну главную обратную связь (один контур регулирования) называют одноконтурными. В таких САУ воздействие, приложенное к какой-то точке системы, может обойти всю систему и вернутся к первоначальной точке пройдя только по одному пути обхода:

А САУ, в которых, помимо главного контура имеются еще местные или главные обратные связи именуют многоконтурными. Обратно одноконтурным, в многоконтурных системах воздействие, приложенное к какой-то точке системы, может обойти систему, и вернутся в точку приложения воздействия по нескольким контурам системы.

Системы связанного и несвязанного автоматического регулирования

Системы, в которых регулированию подлежит несколько величин (многомерные САУ), можно разделить на связанные и несвязанные.

Системы несвязанного регулирования

Системы, в которых регуляторы, предназначенные для регулирования разных величин, несвязанных между собой и могут взаимодействовать через общий объект регулирования, называют системами несвязанного регулирования. Подразделяют системы несвязанного регулирования на независимые и зависимые.

В зависимых изменение одной из величин подлежащей управлению влечет за собой изменение остальных величин подлежащих управлению. Поэтому в таких устройствах нельзя рассматривать различные параметры управления отдельно друг от друга.

Примером такой системы может послужить самолет с автопилотом, у которого имеется отдельный канал управления рулями. При отклонении самолета от курса автопилот вызовет отклонение руля поворота. Автопилот отклонит элероны, при этом отклонение элерона и руля поворота приведет к увеличению лобового сопротивления самолета, при этом произойдет отклонение руля высоты. Таким образом, нельзя рассматривать по отдельности процессы управления курсом, тангажом и боковым креном даже не смотря на то, что каждый из них имеет свой канал управления.

В независимых системах несвязанного регулирования все наоборот, каждая из величин подлежащих регулированию не будет зависеть от изменения всех остальных. Такие процессы управления можно рассматривать отдельно друг от друга.

Примером может послужить САУ угловой скорости гидротурбины, где напряжение обмотки генератора и скорости турбины регулируются независимо друг от друга.

Системы связанного регулирования

В таких системах регуляторы разных величин между собой имеют связи, которые взаимодействуют вне объекта регулирования.

Для примера рассмотрим электрический автопилот ЭАП, упрощенная схема которого показана ниже:

Назначение его – поддержание тангажа, курса и крена самолета на заданном уровне. В данном примере мы рассмотрим функции автопилота относящиеся только к поддержанию заданного курса, тангажа, крена.

Гидрополукомпас 12 выполняет роль чувствительного элемента, отслеживающего отклонение самолета от курса. Основная его часть – гироскоп, ось которого направляют вдоль заданного курса. Когда самолет начинает отклонятся от курса, ось гироскопа начинает воздействовать на связанные при помощи рычага 11 ползунки датчиков реостатных курса 7 и поворота 10, сохраняя при этом свое положение в пространстве. Корпус самолета вместе с датчиками 7 и 10, в свою очередь, смещаются относительно оси гороскопа, соответственно возникает разница между положением гироскопа и корпусом самолета, что улавливается датчиками 7 и 10.

Элементом, который будет воспринимать отклонение самолета от заданного в пространстве курса (горизонтальной или вертикальной плоскости) будет гировертикаль 14. Основная его часть такая же, как и в предыдущем случае – гироскоп, ось которого перпендикулярна плоскости горизонтальной. Если самолет начинает отклонятся от горизонта, в продольной оси начнется смещения ползунка датчика тангажа 13, а при его отклонении в плоскости горизонтальной произойдет смещение датчиков крена 15-17.

Органами, которые осуществляют управление самолетом, являются рули управления 1, высоты 18 и элероны 19, а исполняющими элементами, которые ведут управление положением рулей, являются рулевые машинки курса, тангажа и крена. Принцип работы всех трех каналов автопилота полностью аналогичен. С потенциометрическим датчиком связана рулевая машинка каждого из рулей. Основной потенциометрический датчик (смотри схему ниже):

Соединяется с соответствующим датчиком обратной связи по мостовой схеме. К усилителю 6 подключают диагональ моста. При отклонении самолета от курса полета ползунок основного датчика сместится и в диагонали моста появится сигнал. В результате появления сигнала произойдет срабатывание электромагнитного реле на выходе усилителя 6, что приведет к замыканию цепи муфты электромагнитной 4. Барабан 3 машинки, в цепи которой сработало реле, сцепится с валом непрерывно вращающегося электродвигателя 5. Барабан начнет вращаться и тем самым наматывать или разматывать (зависит от направления вращения) тросы, которые вращают соответствующий руль самолета, и при этом будут перемещать щетку потенциометра обратной связи (ОС) 2. Когда величина смещения ОС 2 станет равной величине смещения щетки потенциометрического датчика, сигнал в диагонали данного моста станет равным нулю и движение руля прекратится. При этом руль самолета повернется в положение, необходимое для смещения самолета на заданный курс. По мере устранения рассогласования щетка основного датчика возвратится обратно в среднее положение.

Выходные каскады автопилота идентичны, начиная от усилителей 6 и заканчивая рулевыми машинами. А вот входные немного разные. Ползунок датчика курса связывается с гирополукомпасом не жестко, а с помощью демпфера 9 и пружины 8. Из-за этого получаем не только перемещение, пропорциональное смещению от курса, но и дополнительное, пропорциональное первой производной отклонения по времени. Помимо того, во всех каналах помимо основных датчиков, предусматриваются и дополнительные, которые реализуют связанное управление по всем трем осям, то есть координируют действия всех трех рулей. Такое подключение обеспечивает алгебраическое сложение сигналов основных и дополнительных датчиков на входе усилителя 6.

Если рассматривать канал управления курсом, то вспомогательными датчиками будут служить датчики крена и разворота, которые управляются летчиком вручную. В канале крена – дополнительные датчики поворота и разворота.

Влияние каналов управления друг на друга приводит к тому, что при движении самолета изменение его крена вызовет изменение тангажа и наоборот.

Нужно помнить, что автономной называют САР, если она имеет такие связи между своими регуляторами, что при изменении одной из величин остальные останутся неизменными, то есть изменение одной величины не влечет за собой автоматическое изменение остальных.

Регулирование – это искусственное изменение параметров и расхода теплоносителя в соответствии с фактической потребностью абонентов. Регулирование повышает качество теплоснабжения, сокращает перерасход топлива и тепла.

В зависимости от пункта осуществления различают:

1. центральное регулирование – осуществляется на источнике тепла (ТЭЦ, котельной);

2. групповое – на ЦТП или КРП,

3. местное – на ИТП,

4. индивидуальное – непосредственно на теплопотребляющих приборах.

Когда нагрузка однородна, можно ограничиться одним центральным регулированием. Центральное регулирование ведется по типовой тепловой нагрузке, характерной для большинства абонентов района. Такой нагрузкой может быть как один вид нагрузки, например отопление, так и два разных вида при определенном их количественном соотношении, например отопление и горячее водоснабжение при заданном отношении расчетных значений этих нагрузок.

Различают присоединение систем отопления и установок горячего водоснабжения по принципу связанного и несвязанного регулирования.

При несвязанном регулировании режим работы системы отопления не зависит от отбора воды на горячее водоснабжение, что достигается установкой регулятора перед системой отопления. В этом случае суммарный расход воды на абонентскую установку равен сумме расходов воды на отопление и горячее водоснабжение. Завышенный расход воды в подающей магистрали тепловой сети приводит к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат в тепловые сети, увеличению капитальных и эксплуатационных затрат в тепловые сети, увеличению расхода электроэнергии на транспорт теплоносителя.

Связанное регулирование позволяет снизить суммарный расход воды в тепловых сетях, что достигается установкой регулятора расхода на вводе абонентской установки и поддержанием расхода сетевой воды на вводе постоянным. В этом случае при увеличении отбора воды на горячее водоснабжение будет снижаться расход сетевой воды на систему отопления. Недотоп в период максимального водоразбора компенсируется увеличением расхода сетевой воды на систему отопления в часы минимального водоразбора.

Присоединение абонентских установок по принципу несвязанного регулирования применяется при центральном качественном регулировании по отопительной нагрузке, по принципу связанного регулирования – при центральном регулировании по совмещенной нагрузке.

Для закрытых систем теплоснабжения при преобладающей (более 65%) жилищно-коммунальной нагрузке и при соотношении (15) применяется центральное качественное регулирование закрытых систем по совместной нагрузке отопления и горячего водоснабжения. При этом присоединение подогревателей горячего водоснабжения не менее чем у 75% абонентов должно быть выполнено по двухступенчатой последовательной схеме.

Температурный график центрального качественного регулирования по совместной нагрузке отопления и горячего водоснабжения (рисунок 4) строится на основе отопительно-бытового температурного графика (Приложение).

Сетевая вода перед поступлением в систему отопления проходит через подогреватель верхней ступени, где температура ее снижается от до . Расход воды на горячее водоснабжение изменяется регулятором температуры РТ. Обратная вода после системы отопления поступает в подогреватель нижней ступени, где остывает от до . В часы максимального водопотребления снижается температура воды, поступающей в систему отопления, что приводит к уменьшению отдачи тепла. Этот небаланс компенсируется в часы минимального водопотребления, когда в систему отопления поступает вода с температурой более высокой, чем требуется по отопительному графику.

Определяем балансовую нагрузку горячего водоснабжения, Q г б, МВт, по формуле.

Вопросы, рассматриваемые в лекции:

1. К каким последствиям приводит равенство динамики прямых и перекрестных связей в АСР несвязанного регулирования.

2. Какие рабочие частоты желательно иметь в контурах несвязанного регулирования.

3. Что такое комплексный коэффициент связанности.

4. Принцип автономности.

5. Условие приближенной автономности.

Объекты с несколькими входами и выходами, взаимно связанные между собой, называют многосвязанными объектами.

Динамика многосвязанных объектов описывается системой дифференциальных уравнений, а в преобразованном по Лапласу виде матрицы передаточных функций.

Существует два различных подхода к автоматизации многосвязанных объектов: несвязанное регулирование отдельных координат с помощью одноконтурных АСР; связанное регулирование с применением многоконтурных систем, в которых внутренние перекрестные связи объекта компенсируются внешними динамическими связями между отдельными контурами регулирования.

Рисунок 1 - Структурная схема несвязанного регулирования

При слабых перекрестных связях расчет несвязанных регуляторов ведут, как для обычных одноконтурных САР с учетом основных каналов регулирования.

Если перекрестные связи достаточно сильны, то запас устойчивости системы может оказаться ниже расчетного, что приводит к снижению качества регулирования или даже к потери устойчивости.

Для учета всех связей объекта и регулятора, можно найти выражение для эквивалентного объекта, которое имеет вид:

W 1 э (p) = W 11 (p) + W 12 (p)*R 2 (p)*W 21 (p) / . (1)

Это выражение для регулятора R 1 (p), аналогичное выражение и для регулятора R 2 (p).

Если рабочие частоты двух контуров сильно отличаются друг от друга, то взаимное их влияние будет незначительным.

Наибольшую опасность представляется случай, когда все передаточные функции равны между собой.

W 11 (p) = W 22 (p) = W 12 (p) = W 21 (p). (2)

В этом случае настройка П - регулятора будет в два раза меньше, чем в одноконтурной АСР.

Для качественной оценке взаимного влияния контуров регулирования используют комплексный коэффициент связности.

K св (ίω) = W 12 (ίω)*W 21 (ίω) / W 11 (ίω)*W 22 (ίω). (3)

Его обычно вычисляют его на нулевой частоте и рабочих частотах обоих регуляторов.

Основой построения систем связанного регулирования является принцип автономности. Применительно к объекту с двумя входами и выходами понятие автономности означает взаимную независимость выходных координат У 1 и У 2 при работе двух замкнутых систем регулирования.

По существу, условие автономности складывается из двух условий инвариантности: инвариантности первого выхода У 1 по отношению к сигналу второго регулятора Х P 2 и инвариантности второго выхода У 2 по отношению к сигналу первого регулятора Х P 1:

y 1 (t,x P2)=0; y 2 (t,x P1)=0; "t, x P1 , x P2 . (4)

При этом сигнал Х P 1 можно рассматривать как возмущение для У 2 , а сигнал Х P 2 – как возмущение для У 1 . Тогда перекрестные каналы играют роль каналов возмущения (рисунок 1.11.1 и рисунок 1.11.2). Для компенсации этих возмущений в систему регулирования вводят Динамические устройства с передаточными функциями R 12 (p) и R 21 (p), сигналы от которых поступают на соответствующие каналы регулирования или на входы регуляторов.

По аналогии с инвариантными АСР передаточные функции компенсаторов R 12 (p) и R 21 (p), определяемые из условия автономности, будут зависеть от передаточных функций прямых и перекрестных каналов объекта и будут равны:

; , (5)

; . (6)

Так же, как в инвариантных АСР, для построения автономных систем регулирования важную роль играет физическая реализуемость и техническая реализация приближенной автономности.

Условие приближенной автономности записывается для реальных компенсаторов с учетом рабочих частот соответствующих регуляторов:

при w=0; w=w Р2 , (7)

при w=0; w=w Р1 . (8)

(а) – компенсация воздействия от второго регулятора в первом контуре регулирования

(б) – компенсация воздействия от первого регулятора во втором контуре регулирования

Рисунок 2 - Структурные схемы автономных АСР

Рисунок 3 - Структурная схема автономной системы регулирования двух координат

В химической технологии одним из самых сложных многосвязных объектов является процесс ректификации. Даже в простейших случаях – при разделении бинарных смесей – в ректификационной колонне можно выделить несколько взаимосвязанных координат. Например, для регулирования процесса в нижней части колонны необходима стабилизация минимум двух технологических параметров, характеризующих материальный баланс по жидкой фазе и по одному из компонентов.

Вопросы для самоконтроля:

1. Определение и задачи автоматизации.

2. Современная АСУТП и этапы ее развития.

3. Задачи управления и регулирования.

4. Основные технические средства автоматики.

5. Технологический процесс, как объект управления, основные группы переменных.

6. Анализ технологического процесса как объекта управления.

7. Классификация технологических процессов.

8. Классификация систем автоматического регулирования.

9. Функции управления автоматических систем.

10. Выбор регулируемых величин и регулирующего воздействия.

11. Анализ статики и динамики каналов управления.

12. Анализ входных воздействий, выбор контролируемых величин.

13. Определение уровня автоматизации ТОУ.

14. Объекты управления и их основные свойства.

15. Разомкнутые системы регулирования. Достоинства, недостатки, область применения, структурная схема.

16. Замкнутые системы регулирования. Достоинства, недостатки, область применения, структурная схема и пример использования.

17. Комбинированные системы регулирования. Достоинства, недостатки, область применения, структурная схема и пример использования.

18. Теория инвариантности автоматических систем управления.

19. Комбинированные АСР.

20. Типовые компенсаторы.

21. Расчет компенсатора.

22. Что такое условие приближенной инвариантности.

23. На каких частотах проводят расчет компенсатора при условии частичной инвариантности.

24. Условие физической реализуемости инвариантных САР.

25. Системы каскадного регулирования.

26. Что такое эквивалентный объект в каскадной САР.

27. Чем объясняется эффективность каскадных АСР.

28. Методы расчета каскадных АСР.

29. АСР с дополнительным импульсом по производной из промежуточной точки.

30. Область применения АСР с дополнительным импульсом по производной.

31. Расчет АСР с дополнительным импульсом по производной.

32. Взаимосвязанные системы регулирования. Системы несвязанного регулирования.

33. К каким последствиям приводит равенство динамики прямых и перекрестных связей в АСР несвязанного регулирования.

34. Какие рабочие частоты желательно иметь в контурах несвязанного регулирования.

35. Что такое комплексный коэффициент связанности.

36. Системы связанного регулирования. Автономные АСР.

37. Принцип автономности.

38. Условие приближенной автономности.

Каскадное регулирование - это регулирование, в котором два или больше контуров регулирования соединены так, чтобы выход одного регулятора корректировал уставку другого регулятора.

На рисунке выше приведена блок-схема, которая иллюстрирует понятие каскадного регулирования. Блоки на диаграмме фактически представляют компоненты двух контуров регулирования: ведущий контур, который составлен из элементов системы регулирования A, E, F, и G и ведомый контур, который составлен из элементов системы регулирования A, B C, и D. Выход регулятора ведущего контура является заданием (уставкой) для регулятора ведомого контура регулирования. Регулятор ведомого контура вырабатывает управляющий сигнал для исполнительного механизма.

Для процессов, которые имеют значительные характеристики запаздывания (емкость или сопротивление, которые замедляют изменения переменной), ведомый контур регулирования каскадной системы может обнаружить рассогласование в процессе раньше и уменьшить тем самым время, требующееся для устранения рассогласования. Можно сказать, что ведомый контур регулирования «делит» запаздывание и уменьшает воздействие возмущения на процесс.

В системе каскадного регулирование используется больше, чем один первичный чувствительный элемент, и регулятор (в ведомом контуре регулирования) получает больше, чем один входной сигнал. Следовательно, система каскадного регулирования - это многоконтурная система регулирования.

Пример системы каскадного регулирования

В примере выше контур регулирования будет в итоге ведущим контуром при построении системы каскадного регулирования. Ведомый контур будет добавлен позже. Цель этого процесса состоит в том, чтобы нагреть воду, проходящую через внутреннее пространство теплообменника, обтекая трубы, по которым пропускается пар. Одна из особенностей процесса - то, что корпус теплообменника имеет большой объём и содержит много воды. Большое количество воды обладает ёмкостью, позволяющей сохранять большое количество теплоты. Это означает, что, если температура воды на входе в теплообменник изменится, эти изменения проявятся на выходе теплообменника с большим запаздыванием. Причиной запаздывания является большая ёмкость. Другой особенностью этого процесса является то, что паровые трубы оказывают сопротивление передаче теплоты от пара внутри труб к воде снаружи труб. Это означает, что будет иметься запаздывание между изменениями в паровом потоке и соответствующими изменениями температуры воды. Причиной этого запаздывания является сопротивление.

Первичный элемент в этом контуре регулирования контролирует температуру воды на выходе из теплообменника. Если температура воды на выходе изменилась, соответствующие физические изменения первичного элемента измеряются измерительным преобразователем, который преобразовывает значение температуры в сигнал, посылаемый регулятору. Регулятор измеряет сигнал, сравнивает его с уставкой, вычисляет разность и затем вырабатывает выходной сигнал, который управляет регулирующим клапаном на паровой линии, являющимся конечным элементом контура регулирования (регулирующим органом). Паровой регулирующий клапан или увеличивает, или уменьшает поток пара, обеспечивая возвращение температуры воды к уставке. Однако, из-за характеристик запаздывания процесса, изменение температуры воды будет медленным, и потребуется длительное время прежде, чем контур регулирования сможет считывать на сколько температура воды изменилась. К тому времени, могут произойти слишком большие изменения температуры воды. В результате, контур регулирования выработает избыточно сильное управляющее воздействие, что может привести к отклонению в противоположную сторону (перерегулированию), и снова будет "ждать" результат. В связи с медленной реакцией подобно этой, температура воды может циклически колебаться вверх и вниз в течение долгого времени прежде, чем придёт к устойчивому состоянию, возвратившись на значение уставки.

Переходной процесс системы регулирования улучшается, когда система дополняется вторым контуром каскадного регулирования, как показано на рисунке выше. Добавленный контур - это ведомый контур каскадного регулирования.

Теперь, когда изменяется расход пара, эти изменения будут считываться чувствительным элементом расхода (B) и измеряться измерительным преобразователем (C), который посылает сигнал ведомому регулятору (D). В то же самое время, температурный чувствительный элемент (E) в ведущем контуре регулирования воспринимает любое изменение температуры воды на выходе теплообменника. Изменения эти измеряются измерительным преобразователем (F), который посылает сигнал ведущему регулятору (G). Этот регулятор выполняет функции измерения, сравнения, вычисления и производит выходной сигнал, который посылается ведомому регулятору (D). Этот сигнал корректирует уставку ведомого регулятора. Затем ведомый регулятор сравнивает сигнал, который он получает от датчика расхода (C), с новой уставкой, вычисляет разность и вырабатывает корректирующий сигнал, который посылается на регулирующий клапан (A), чтобы корректировать расход пара.

В системе регулирования с добавлением к основному контуру ведомого контура регулирования любое изменение расхода пара немедленно считывается дополнительным контуром. Необходимая корректировка выполняется почти сразу, прежде, чем возмущение от парового потока воздействует на температуру воды. Если произошли изменения температуры воды на выходе из теплообменника, чувствительный элемент воспринимает эти изменения и ведущий контур регулирования корректирует уставку регулятора в ведомом контуре регулирования. Другими словами, он устанавливает контрольную точку или "смещает" регулятор в ведомом контуре регулирования так, так, чтобы скорректировать расход пара, с целью обеспечения заданной температуры воды. Однако, это реакция регулятора ведомого контура регулирования на изменения расхода пара уменьшает время, требуемое для компенсации влияния возмущения со стороны парового потока.