12.11.6 Kaskaderegulering
Navnet kaskaderegulering hentyder til, at en overordnet (master-) reguleringssløjfe styrer en underordnet (slave-) sløjfe. Sløjferne sidder i kaskade. Formålet er enten:
- at den underordnede sløjfe skal opfange generende forstyrrelser på den overordnede regulering
- at den underordnede sløjfe skal linearisere en ulineær komponent, f.eks. en ventil.
Et eksempel på 1
Figur 12.29 viser en rørovn. I en rørslange i et ovnrum strømmer en væske, som skal opvarmes. Ovnen fyres med brændselsolie. Sådanne processer forekommer almindeligt i olieindustrien, f.eks. til termisk nedbrydning (krakning) af tungtflygtige jordoliefraktioner.
Processens resultat er stærkt afhængig af temperaturen, og det er nærliggende at indsætte en simpel temperatursløjfe, som vist på figuren. Men hvis nu olietrykket stiger, eller hvis oliens viskositet falder, vil der, ved konstant ventilstilling, gå mere olie ind, og temperaturen vil stige. Den korrigerende ventillukning finder sted væsentligt senere, fordi der er store forsinkelser i sløjfen, og der kan ske væsentlig skade på processen. F.eks. kan temperaturstigninger ud over det tilsigtede føre til unormal stor koksdannelse på rørvæggen. Dette betyder nedsættelse af processens udbytte og af varmegennemgangen, således at ovnen hyppigere må tages ud af normal drift.
Løsningen på problemet er en kaskaderegulering med en underordnet flowreguleringssløjfe, der fanger tryk- eller viskositetsforstyrrelserne, idet de straks vil give anledning til et ændret flow, som den hurtigt reagerende flowsløjfe korrigerer for. Setpunktet på flowregulatoren FC styres af den overordnede temperaturregulator TC. Konstaterer den f.eks. en faldende temperatur, styrer den setpunktet på flowsløjfen op, hvorved fremskaffes et større flow.
Figur 12.30 viser instrumenteringen med de to sløjfer i kaskade.
Fig. 12.29 Rørovn.
Fig. 12.30 Sløjfer i kaskade.
For at en kaskaderegulering skal kunne anvendes med fordel og fange forstyrrelserne, må man kræve at den underordnede sløjfe er væsentlig hurtigere (mindst en faktor 4) end den overordnede sløjfe. Er den overordnede sløjfe hurtig, bør den anvendes alene.
I en reguleringssløjfe foretages indgrebet i processen med en ulineær ventil, f.eks. en butterfly-ventil eller et spjæld. Ventilens ulinearitet er uønsket og vil genere reguleringssløjfens egenskaber. Det vil være for kostbart eller måske umuligt at skaffe en lineær ventil eller spjæld i den pågældende størrelse eller til den pågældende opgave.
På figur 12.31 ses en underordnet flowreguleringssløjfe, der styrer på den ulineære ventil/spjæld. Hvis regulatoren er fornuftigt indstillet, vil vi få præcis det flow, der svarer til SP-indstillingen.
Fig. 12.31 Flowreguleringssløjfe.
Fig. 12.32 Sammenhæng mellem u og Q.
Dermed skaffes den ønskede lineære sammenhæng mellem udgangssignalet u fra den overordnede regulator og det resulterende flow Q, som vist på figur 12.32.
Når regulatorerne i en kaskaderegulering skal indstilles, begynder man med at indstille den underordnede, hurtige flowsløjfe. Med en NC/FC-ventil skal flowsløjfen have invers regulering, idet et voksende flow skal lukke ventilen, dvs. medføre aftagende styresignal.