ІІ
Рис. 4.1. Структурна схема двоконтурної каскадної системи: ТОК - об’єкт керування; АР - коректуючий регулятор; АР1 - стабілізуючий регулятор;
РО - регулюючий орган;  проміжна координата керування;  - основна координата керування; додаткове збурення;  основне зовнішнє збурення; вихідні величини регуляторів;  основна вхідна величина
СКР називають такі системи, у яких вихідний сигнал одного із регуляторів направляється в якості завдання на інший.
Найчастіше використовуються двоконтурні каскадні системи регулювання (рис. 4.1). У першому контурі використовується, як правило, стабілізуючий (допоміжний) регулятор, а в другому – коректуючий (основний) регулятор.
Двоконтурна СКР включають два регулятори – коректуючий (основний або зовнішній) регулятор АР, який служить для регулювання основної регулюючої величини , і стабілізуючий (допоміжний або внутрішній регулятор) АР1 призначений для регулювання допоміжної координати  . При цьому тільки основний регулятор АР має незалежне завдання. Завданням для допоміжного регулятора служить вихідний сигнал основного регулятора. Вихідний сигнал допоміжного регулятора подається в якості регулюючої (керуючої) дії на об’єкт. Допоміжний (внутрішній) замкнутий контур регулювання, утворений швидкодіючою частиною об’єкту і допоміжним регулятором, знаходиться усередині основного контуру регулювання.
В об’єкті керування основна вихідна величина діє на вхід основного регулятора АР вихід якого  є завданням для допоміжного регулятора АР1 який реагує на допоміжну координату . Регулятор АР1 через регулюючий орган РО стабілізує як , так і , коли  . В цьому випадку регулятор АР змінює завдання регулятору АР1. Регулятор АР1 завжди є більш швидкодіючий, ніж регулятор АР , тому збурення на регулятор АР потрапить значно згладженим і динамічна похибка  у декілька разів менша ніж при одноконтурній системі регулювання.
Вибір регуляторів АР та АР1 за законом регулювання залежить від динамічних властивостей об’єкта регулювання та вимог до перехідних процесів:
- для підтримання основної вихідної координати на заданому значенні без статичної похибки закон регулювання повинен включати І – складову;
- від допоміжного регулятора вимагається перед усім висока швидкодія, тому він може мати любий закон регулювання (зокрема, П- закон як найбільш простий і достатньо швидкодіючий).
Найчастіше зустрічаються комбінації П-ПІ, ПІ-ПІ, ПІ-ПІD. Регульовану величину вибирають, як правило, з розрахунку більшої однозначності залежності між та , від  і  , а також меншої інерційності від збурюючих факторів.
Частота приблизно в два рази менша
a
a
2
1
¼ в
½ в
1в
a
Рис. 4.2. Перехідні процеси в каскадній П-ПІ системі (крива 1) і одноконтурній ПІ системі (крива 2) при одинаковому ступеневому збуренні
На рис. 4.2 показані перехідні процеси в одно- та двоконтурних системах регулювання (криві 1,2) з ПІ та П-ПІ регуляторами одержані при дії однакового збурення на один і той самий об’єкт.
У першому і другому випадку перехідні процеси носять коливний характер і не мають статичної похибки регулювання. У той же час динамічна похибка та час регулювання для каскадної системи регулювання значно менша.
Допоміжний контур регулювання можна розглядати як ще один динамічний елемент основного контуру.
Як показує практика застосування та дослідження каскадних систем регулювання [ ] їх переваги можна звести до:
1) застосування допоміжного контуру регулювання приводить до покращення перехідного процесу в об’єкті регулювання;
2) зменшується період власних коливань основного контуру регулювання;
3) зменшується час регулювання;
4) найкращі результати можна досягти коли  .
Методика розрахунку каскадних систем регулювання приведена у [ Дудников Е.Г. Автоматическое управление в ХП].
Системи каскадного регулювання знайшли широке застосування при автоматизації теплових, масообмінних та комбінованих складних технологічних процесів.
Приклади каскадний САР.
Каскадна система стабілізації температури рідини на виході із теплообмінника, в якому допоміжним контуром є контур регулювання витрати граючої пари. При внесенні збурення по тиску граючої пари на вході регулятор 1 змінює ступінь відкриття РО таким чином, щоби підтримати постійну витрату. При порушенні теплового балансу в апараті (викликаному, наприклад, зміною вхідної температури вх або витрати рідини, яка поступає на нагрівання, втрат тепла в оточуюче середовище та інше), що приведе до відхилення вихідної температури від заданого значення вих, регулятор температури 2 коректує завдання регулятору 1.
Каскадна система регулювання температури (2) з корекцією завдання регулятору витрати пари (1)
Структурна схема каскадної САР з вимірюванням допоміжної координати в проміжній точці
В ХТП часто основна і допоміжна величина мають однакову фізичну природу і характеризують значення одного і того ж технологічного параметру в різних точках системи.
Каскадна система регулювання температури (4) в реакторі (1) з корекцією завдання регулятору температури (3) на виході теплообмінника (2)
На фрагменті технологічної схеми показано підігрівач реакційної суміші – теплообмінник (2) і реактор (1) та система стабілізації температури в реакторі. Регулююча дія - витрата пари – подається на вхід теплообмінника. Канал регулювання, який включає два апарати і трубопроводи є складною системою з великою інерційність. На об’єкт діє ряд збурень, які поступають в різні точки системи (тиск, температура і витрата реакційної суміші, втрати тепла в реакторі і т.д.). для підвищення швидкодії застосовують каскадну САР, в якій основною регулюючої змінною є температура в реакторі, в якості допоміжної вибрана температура суміші між теплообмінником і реактором.
4.2. Системи регулювання співвідношення.
Системи регулювання співвідношення у сучасних системах автоматизації знаходять все більше застосування і розвиток. [ ]. Такі системи доцільно використовувати при реалізації хімічних реакцій з двома або більше компонентами, при приготуванні багатокомпонентних сумішей рідин та газів, при реалізації систем автоматизації по матеріальних або теплових (енергетичних) балансах.
Однією з найбільш розповсюджених систем регулювання співвідношення є система під назвою “паливо-повітря” (рис. 4.3).
1
FE
FE
FFC
2
|