A kaszkád szabályozás:

Eddigi példáinkban olyan egyszerű szakaszok szabályozását vizsgáltuk, ahol a szabályozott jellemző Xs változását egyetlen zavaró jellemző változása okozta. (Pl. a tartályból elvett folyadék térfogatárama változik.) Ilyen esetekben jól elboldogultunk egykörös szabályozással. Akkor sincs gond, ha több zavaró változás hat a körünkre, de a szabályozásssal szemben nem kell szigorú minőségi követelményeket támasztanunk. Egyszem szabályozó is elboldogul a feladattal, legfeljebb nagyobb lesz a hibasáv, lassabb a beállás, stb.

A technológiák nem mindig tűrik a lazaságot. Vannak esetek, mikor a szakaszt érő több, sebességében erősen eltérő zavarás ellenére a technológus olyan kis hibasávot enged meg, amit a világ legjobban beállított PID szabályozója sem képes teljesíteni. Ennek elméleti oka van, tehát nem az általunk eszözölt hangolásban keresendő a hiba.

Példa kaszkád szabályozás igényre:
A jobboldali ábrán egy víz-víz hőcserélő látható. A kilépő szekunder víz hőmérsékletét kell szigorúan állandó értéken tartanunk. Ez öt dologtól függ:
- A primer (fűtő) víz belépő hőmérséklete
- a primer (fűtő) víz belépő térfogatárama
- a hőcserélő hatásfoka
- a szekunder (fűtött) víz belépő hőmérséklete
- a szekunder (fűtött) víz térfogatárama.
A többit most hanyagoljuk el. Nyilvánvaló, hogyha ezeket az értékeket mind-mind szigorúan azonos értéken tartanánk, a kilépő fűtött víz hőmérséklete állandó lenne.

Tegyük fel, hogy a következőket állandónak vehetjük:
- A hőcserélő hatásfoka
- a primer víz belépő hőmérséklete
- a szekunder víz belépő hőmérséklete.

Két változó paraméterünk maradt, aminek hatását korrigálnunk kell:
- A primer víz térfogatárama
- A szekunder víz térfogatárama.

A primer víz térfogatáramára tegyünk egy saját szabályozót, aminek alapjelét egy másik - olyan - szabályozó végrehajtó jele adja, mely a kilépő szekunder víz hőmérsékletét figyeli! A jobboldali ábrán látható a vázlat. Ezt az elrendezést nevezzük kaszkádnak.
Az ábrán látható áramlásszabályozó kört (FT-FC-FV) belső, vagy követő körnek, a hőmérsékletszabályozó kört (TT-TC-FC-FV) külső, vagy vezető körnek nevezzük.

Miért kellett két szabályozó?
Gyakorlatias elmék azonnal látják, hogy a primer víz mennyiségváltozását a belső kör azonnal kiszabályozza, nem fogjuk megvárni, míg a kilépő hőfok megváltozik. Sokkal stabilabb kilépő hőfokunk lesz.
Elméletiesebb kollégák pedig az előző cikkekből tudják, hogy a szabályozónk Ti integrálási idejét a szakasz időállandójához kell igazítani, ha tisztességes szabályozást akarunk. Most azonban két időállandónk van:
- T1 időállandó, mely a primer víz szabályozó szelep állítása és az okozott mennyiségváltozás jellemzője.
- T2 időállandó, mely a szekunder víz áramló mennyiségének megváltozása és a kilépő hőmérsékletének megváltozása közötti jellemző.
A két időállandó nagyságrendekkel különbözik egymástól, hiszen a szelep állításával gyakorlatilag egyidőben csökken a primer víz térfogatárama, a szekunder víz térfogatáram változásait viszont a méretektől függő, akár perces időállandóval követi a kilépő víz hőmérsékletének megváltozása.
Ha csak egy szabályozónk lenne, hova állítanánk az integrálási időt? Ezért kell kettő.
Arról nem is beszélve, hogy az erősítéseket is különbözőképpen kell beállítani...

A beállítás:
A kaszkád kör hangolásához úgy kell hozzáállni, mint jólnevelt gyerekeknek a görögdinnye evéshez: A közepével (a belső körrel) kezdünk, s kifelé haladunk.
Nagyon fontos, hogy a két kör sebessége nagyságrendekkel (legalább tízszeres arány) térjen el egymástól, különben belengetik egymást!

A kaszkád kör dinamikus viselkedését, egyéb vonatkozásait e cikksorozatban nem ismertetjük. Cikk-tárunkban Ön is talál ennél jóval komolyabb szakirodalmat ajánló anyagokat. E cikk csak az alapokat ismerteti. Ne feledjük azonban: Egy újszülöttnek minden vicc új, márpedig mindannyian voltunk újszülöttek...

A jövő heti témánk:
Egyéb szabályozási módszerek. Reméljük, viszontlátjuk!