Введение. Рассмотрим печной агрегат с контроллером температуры на выходе

Рассмотрим печной агрегат с контроллером температуры на выходе. Контроллер напрямую регулирует положение клапана регулирования расхода для поддержания температуры на выходе. Допустим, что печь находится в стабильном состоянии, а ее температура на выходе поддерживается на уровне уставки.

Проанализируем, что произойдет, если давление в топливном баке внезапно увеличится.

При увеличении давления в баке, расход топлива возрастет. Такое увеличение расхода топлива не повлияет на температуру на выходе в течение какого-то времени из-за "мертвого" времени печи. Кроме того, изменение температуры на выходе печи будет происходить постепенно из-за постоянной времени печи. И только после того, как температура на выходе начнет отклоняться, контроль начнет действовать. Однако, к этому времени в печь уже поступило лишнее количество топлива, и температура на выходе продолжает расти. В результате, пройдет некоторое время прежде, чем температура вернется к уставке.

Для решения данной проблемы расход топлива можно контролировать при помощи дополнительного контроллера. Как правило, контроллер расхода быстродействующий и способен восстанавливать расход на уровне желательной уставки за короткое время. В нашем случае контроллер расхода топлива может очень эффективно контролировать расход топлива, даже если давление в топливном баке изменится внезапно.

Если расход топлива будет контролировать контроллер расхода, то как можно контролировать температуру на выходе?

По проектным условиям эксплуатации мы приблизительно знаем требуемый расход топлива для поддержания температуры на выходе. Это означает, что мы знаем приблизительную уставку контроллера расхода топлива. Нам также известно, что когда температура на выходе увеличивается, расход топлива следует уменьшить, а когда температура на выходе уменьшается, расход топлива следует увеличить.

Таким образом, контроллер температуры на выходе может напрямую предоставлять уставку для контроллера расхода топлива.

За счет этого такие виды возмущения нагружения, как, например, колебания давления в топливном баке, будут ограничиваться контроллером расхода и никак не отразятся на температуре на выходе. Когда температура на выходе отклоняется из-за каких-либо иных возмущений, уставка контроллера расхода регулируется контроллером температуры на выходе. Таким образом, при помощи подобной стратегии управления можно добиться более высокого уровня управления.

Данный тип стратегии управления, при котором уставка одного контроллера поступает от другого контроллера, называется каскадным управлением. Также он известен под названием "управление с каскадным контуром". С другой стороны, схема управления с одним PID-контроллером называется одноконтурным управлением.

Контроллер, предоставляющий уставку, называется основным или главным контроллером, а контроллер, принимающий уставку — подчиненнымили вспомогательным контроллером. В нашем примере с печным агрегатом:

- контроллер температуры на выходе является главным, а

- контроллер расхода топлива – вспомогательным.

В целом, схема каскадного управления работает очень эффективно, когда реакция главной переменной процесса медленнее по сравнению со вспомогательной переменной процесса. В нашем примере с печным агрегатом температура на выходе изменяется значительно медленнее расхода топлива.