Связанное и несвязанное регулирование. Регулирование отпуска теплоты потребителям. Одноконтурные и многоконтурные САУ

о и и с л н и е виол изоьгктяния

Союз Советских

Социалистических

Реслтблик

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 11.11.1965 (№ 943575/24-6) с присоединением заявки №

УДК 621.165.7-546 (088.8) Комитет ао делам изобретений и открытий при Совете Министров

В. Б. Рубин, Г. И. Кузьмин и А. В. Рабинович;

Чг n,ъ, Всесоюзный теплотехнический институт им. Ф. Э. Дзернвзщского

Заявитель

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ ТУРБИН

Известен способ несвязанного регулирования теплофикационных турбин, в котором статическая автономность достигается установкой изодромных (или с малой неравномерностью) регуляторов каждого параметра.

Этот способ не может быть применен при параллельной работе нескольких объектов хотя бы по одному из параметров, потому что параллельное включение изодромных регуляторов недопустимо и, кроме того, при параллельной работе необходимо стабилизировать не параметры, а обобщенные силы объектов, воздействующие на запараллеленные параметры. Поэтому при параллельной работе на турбинах применяют более сложный способ связанного регулирования.

Связанные системы в принципе обеспечивают во всех условиях не только статическую, но и динамическую автономность регулирования. Однако достижение динамической автономности в большинстве случаев связано со значительными конструктивными затруднениями, поэтому в реальных системах по экономическим соооражсниям полная BBTOHQMность обеспечивается редко. Кроме того, и с эксплуатационной точки зрения лишь в очень редких случаях требуется обязательное соблюдение динамической автономности контурсв регулирования. Переход от более простых несвязанных систем к более сложным связанным системам диктуется зачастую только невозможностью получить в известных схемах несвязанного регулирования статическую автономность при необходимости параллельной работы по какому-либо из параметров. Переход этот приводит не только к усложнению схемы. В системах, построенных по способу связанного регулирования, автономность достигается парометрически — подбором коэффи10 циентов усиления (передаточных отношений) перекрестных связей между регуляторами, При постоянстве передаточных отношений автономность на всех режимах не выдерживается. В несвязанном же регулировании автономность обеспечивается компенсационно (регуляторами). Кроме того, применение связанной системы регулирования значительно усложняет методы изменения структуры схемы при переводе турбины на специальные ре2р жимы (например, на работу с противодавлением и т. д.), Вопросы устойчивости решаются удовлетворительно при связанном и при несвязанном регулировании.

Предложенный способ позволяет достичь

25 статической автономности в несвязанных системах регулирования как при изолированной, так и при параллельной работе и тем самым снимает необходимость применения в теплофикационных турбинах сложных некомпенсаз0 ционных систем связанного регулирования.

Сущность изобретения заключается в том, что в несвязанные контуры регулирования скорости и давления введены, в качестве следящих подсистем., регуляторы производной (механической) мощности турбины и расхода пара в отбор.

Схема предлагаемого способа показана на чертеже, В контур регулирования скорости 1 турбин введен исполнительный контур 2 регулирования производной (механической) мощности, т. е. контур регулирования обобщенной внутренней силы объекта, воздействующего со стороны турбогенератора на частоту системы.

Контур регулирования мощности выполнен изодромами. Регулятор мощности 8 получает задания от регулятора скорости 4, от ручного датчика 5, от системных регуляторов о и воздействует только на клапаны высокого давления 7, В контур 8 регулирования давления введен исполнительный контур 9 стабилизации расхода пара в отбор, т. е. также вводится контур регулирования обобщенной внутренней силы объекта, воздействующей со стороны турбогенератора на давление в отборе. Регулятор расхода 10 получает задания от регулятора давления 11, от ручного задатчика 12, от системных регуляторов 18 и воздействует только на каналы низкого давления 14.

Остальные обозначения, принятые на чертеже 1б — производимая (механическая) мощность турбины, 1б — расход пара, направляемый регулирующими органами турбины в отбор, 17 †отдаваем (электрическая) мощность генератора, 18 — расход пара тепловым потребителем, 19 — частота (при изолированной работе) или фазовый угол генератора (при параллельной работе), 20 — давление в отборе (при изолированной работе) или перепад давления между камерой отбора и потребителем (при параллельной работе по пару).

При изолированной работе агрегата по электрической и тепловой нагрузке статическая независимость регулирования обеспечивается в схеме так же, как и в обычных системах несвязанного регулирования теплофикационных турбин. При возмущении со стороны теплового потребителя и перемещении клапанов низкого давления число оборотов турбогенератора стабилизируется регулятором скорости (регулятор мощности при этом облегчает выполнение этой задачи, так как стабилизует мощность турбины). При возмущении со стороны электрического потребите5

40 ля и перемещении клапанов высокого давления стабилизация давления в отборе осуществляется регулятором давления, регулятор расхода при этом облегчает выполнение этой задачи, так как стабилизирует расход.

Статическая независимость сохраняется в схеме и при параллельной работе турбогенератора при электрической нагрузке и тепловой нагрузке. В этом случае схема работает следующим образом. При возмущении со стороны электрического потребителя (изменение частоты) при ручной перестановке регулирующих клапанов высокого давления неизменное давление в отборе в статике поддерживает регулятор расхода. При возмущении же со стороны теплового потребителя и перестановке клапанов низкого давления неизменность электрической нагрузки обеспечивается в статике регулятором мощности. Связи, присущие схемам связанного регулирования (между регулятором скорости и клапанами низкого давления и между регулятором давления и клапанами высокого давления), в системе отсутствуют. Ввод импульсов по мощности и по расходу в систему регулирования турбины может быть осуществлен через серийно выпускаемые турбостроительными заводами электрогидравлические преобразователи.

При наиболее распространенном режиме работы теплофикационных турбин — параллельная работа по электрической нагрузке и изолированная работа по тепловой нагрузке (на изолированные бойлеры) — способ регулирования упрощается. В этом случае контур регулирования расхода 9 не нужен и вводится лишь контур регулирования мощности.

По такому же принципу вместо контуров регулирования давления и расхода могут быть введены контуры регулирования температуры сетевой воды и расходов.

Предмет изобретения

Способ регулирования теплофнкационных турбин, оборудованных несвязанными системами регулирования скорости и давления, отличающийся тем, что, с целью обеспечения статической автономности как при изолированной, так и при параллельной работе, в систему регулирования скорости турбины вводят контур регулирования производимой мощности, а в систему регулирования давления — контур регулирования расхода пара в отбор для нейтрализации в статике взаимного влияния нагрузок.

Составитель М. Миримский

Редактор Е. А. Кречетова Техред А. А. Камышникова Корректор Е. Д. Курдюмова

Заказ 2527/8 Тираж 1220 Формат бум. 60>

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Центр, пр. Серова, д. 4

Типография, пр. Сапунова, д. 2

ИЗВЕСТИЯ

ГОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗАННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОДНОГО КЛАССА ОБЪЕКТОВ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ

ПАРАМЕТРАМИ

В. И. КАРНАЧУК, В. Я. ДУРНОВЦЕВ

(Представлена научным семинаром кафедры ФТФ)

Системы многосвязного регулирования (СМР) в настоящее время находят все большее применение в автоматизации сложных объектов. Обусловлено это тем, что комплексная автоматизация производственных процессов требует перехода от регулирования одного параметра к связанному регулированию нескольких величин, оказывающих влияние друг на друга. Среди подобных систем большое место занимают однотипные СМР, состоящие из нескольких идентичных, одинаково настроенных регуляторов, работающих от общего источника сырья или на общую нагрузку. К однотипным СМР можно отнести многоканальные САР объектов с распределенными параметрами, задачей которых является автоматическая оптимизация распределения параметра. Эта задача не может быть правильно решена, если не будет учтено взаимное влияние регулируемых параметров. Учет взаимного влияния значительно осложняет анализ системы, так как в связанной системе динамика каждого параметра описывается дифференциальным уравнением высокого порядка.

Основоположником теории регулирования нескольких параметров является И. Н. Вознесенский. Он показал, что для ликвидации влияния параметров друг на друга в систему необходимо ввести искусственные связи, компенсирующие влияние естественных связей. В этом случае связанная система превращается в несвязанную, т. е. автономную. Проблема автономности является специфической проблемой, отсутствующей в теории одномерных САР. И. Н. Вознесенский решил эту проблему для объекта первого порядка, управляемого идеальным регулятором. Позднее были найдены физически и технически реализуемые условия автономности для более сложных систем . В этих работах круг рассмотренных объектов, как правило, ограничивается объектами первого порядка. Однако на практике при исследованиях в области регулирования объектов с распределенными параметрами таких, как ректификационная колонна, нефтегазоносный пласт, вулканизационные камеры, различного рода реакторы и т. п., требуется зачастую более сложное приближение.

В настоящей работе рассматриваются некоторые вопросы синтеза двумерной СМР астатического объекта с фазовым упреждением.

когда объект по каждой регулируемой величине описывается диффе ренциальным уравнением второго порядка:

т dЧ dx 2 dt2 dt

коТi -У- +коу. dt

Структурная схема системы связанного регулирования представлена на рис. 1. Система предназначена для поддержания заданного значения параметра X в двух различных областях большого объекта.

2 регулятор w

Рис. 1. Структурная схема двумерной СМР

Объект регулирования представляет собой многосвязную систему с ^-структурой по принятой классификации . Передаточные функции объектов по каждому прямому каналу равны:

К0(Т,р+1) ■

СР) - ^02 (Р)

Р(Т2Р+> 1)

Взаимосвязь регулируемых параметров представлена на структурной схеме через постоянные коэффициенты Li2 = ¿2b хотя в общем случае она не является инвариантной по времени. Рассматриваются интегральные регуляторы с передаточной функцией:

Сигналы управления регуляторы получают от инерционных датчиков (термопар), расположенных вблизи соответствующих регулирующих органов. Передаточные функции датчиков:

Wn (p) = WT2(p) =

Анализ связанной системы с помощью уравнений движения, записанных даже в операторной форме, является неудобным ввиду высокого порядка уравнений. Гораздо большими удобствами, особенно для структурного синтеза, обладает матричный метод записи уравнений.

При матричной форме записи уравнение для объекта с У-струк-турой имеет вид:

■ WciWcalia^i 1 - W 01^02^12^21

1 - 1^0] 1 - 12^21

а ^ и матрицы-столбцы регулируемой и регулирующей величины соответственно.

Для регулятора можно записать:

^^(¿у-Х). (6)

и%(р)=Г 0 [о

5 - преобразующая матрица управляющих воздействий; у - матрица-столбец управляющих воздействий.

Элементы матриц и 5 могут быть получены после несложных структурных преобразований:

р(Тар+\)(ТТр+\)

Тогда уравнение замкнутой СМР можно записать в следующем виде (здесь и дальше будем полагать, что возмущения, действующие на систему / = 0):

Х = (/ + Г0г р)"1 - W оГ р5Г, (7)

где / - единичная матрица.

Из (7) можно получить характеристическое уравнение замкнутой СМР, если приравнять нулю детерминант матрицы (/ + WqWp):

| / + W0WP | = 0. (8)

Для СМР пока не найдено достаточно общих критериев проверки устойчивости. Определение корней характеристического уравнения (8) также является довольно громоздкой задачей, так как можно показать, что даже в двумерном случае приходится решать уравнение десятого порядка. При таких условиях применение средств вычислительной техники для расчета СМР является не только желательным, но и необходимым. Особенно велико значение аналоговых моделей для решения задач синтеза СМР, обладающих определенными заданными свойствами, и прежде всего автономных СМР. Известно, что реализация условий автономности является зачастую невозможной, во всяком случае для каждой конкретной системы нахождение условий автономности, которые можно было бы реализовать достаточно простыми звеньями, является самостоятельной задачей. Из выражения (7) видно, что условия автономности сводятся к диагонализации матрицы

Ф, = (/ + ^р)-1" wQwps.

В этом случае уравнения СМР распадаются на я независимых уравнений. Очевидно, что матрица Фу будет диагональной только в том случае, если будет диагональной матрица W0Wpj являющаяся передаточной матрицей разомкнутой СМР. Для реализации этих условий в СМР вводятся искусственные компенсирующие связи, передаточные

Рис. 2. Электронная модель автономной СМР,

функции которых могут быть определены из более удобной для этих целей записи матричного уравнения СМР :

Фу= ^о Гр(5-Фу). (9)

Существует большое число вариантов осуществления компенсирующих связей. Однгко расчеты, проведенные согласно уравнению (9), показывают, что наиболее удобным для реализации является вариант структурной схемы, когда перекрестные связи накладываются между входами усилителей регуляторов. Для этого случая передаточные функции компенсирующих связей имеют вид:

/Сю (/>) = - №«¿12; К2\{р) = -

С учетом выражения (2) имеем: * и (Р) <= К21 (р) =

Для исследования двумерной СМР была использована электронная модель системы, собранная на базе аналоговой установки ЭМУ-8. Схема электронной модели СМР представлена на рис. 2. Числовые значения параметров были приняты следующие: а;о=10; КуК^/(г== 0,1; Тх = 10 сек; Г2 = 0,1 сек; Тт = 0,3 Тг = 0,5 се/с; I = 0,1 0,9.

Рис. 3. Кривые переходных процессов в каналах неавтономной (а) и автономной (в) СМР

Исследования модели показали, что система без компенсирующих связей остается устойчивой до значения величины взаимосвязи ¿ = 0,5. Дальнейшее увеличение L приводит к расходящимся колебаниям регулируемой величины. Однако даже при L <0,5 характер переходного процесса в системе является неудовлетворительным. Полное время успокоения составляет 25-ъЗО сек при максимальном выбросе 50%. Введение перекрестных связей, соответствующих условиям автономности, позволяет резко улучшить качество регулирования.

Как видно из графиков (рис. 3) чувствительность каждого канала к изменению уставки в соседнем канале заметно снижается. Длительность переходного процесса и величина максимального выброса могут быть уменьшены снижением коэффициента усиления усилителей обоих каналов в 2 раза по сравнению с коэффициентом усиления, принятым для несвязанной отдельной системы.

1. Найдены условия автономности, реализуемые простыми активными ЯС-цепями для СМР объектов второго порядка- с фазовым упреждением.

2. Анализ сложных СМР с помощью аналоговых вычислительных машин позволяет выбрать оптимальные значения параметров СМР.

Предложена электронная модель двумерной автономной СМР» Показано влияние величины взаимосвязи на устойчивость системы.

ЛИТЕРАТУРА

1. М. В. Мееров, Системы многосвязного регулирования. Изд. «Наука», 1965.

2. В. Т. Морозовский. «Автоматика и телемеханика», 1962, № 9.

3. М. Д. М е з а р о в и ч. Многосвязные системы регулирования. Труды I конгресса ИФАК, Изд. АН СССР, 1961.

Связанные системы регулирования включают кроме основных регуляторов дополнительные динамические компенсаторы. Расчет и наладка таких систем гораздо сложнее, чем одноконтурных АСР, что препятствует их широкому применению в промышленных системах автоматизации.

Рассмотрим методы расчета многосвязных систем регулирования на примере объекта с двумя входами и двумя выходами.

3.1.1.Синтез несвязанного регулирования

Структурная схема системы представлена на рисунке 3.1 Преобразование системы регулирования двух координат к эквивалентным одноконтурным АСР дано на рисунке 3.2

Рисунок 3.1 - Структурная схема несвязного регулирования со взаимосвязанными координатами

Рисунок 3.2 - Преобразование системы регулирования двух координат к эквивалентным одноконтурным АСР

а - эквивалентный объект для первого регулятора; б - эквивалентный объект для второго регулятора.

Выведем передаточную функцию эквивалентного объекта в одноконтурной АСР с регулятором R1. Как видно, такой объект состоит из основного канала регулирования и связанной с ним параллельно сложной системы, включающей второй замкнутый контур регулирования и два перекрестных канала объекта. Передаточная функция эквивалентного, объекта имеет вид:

Второе слагаемое в правой части уравнения (7) отражает влияние второго контура регулирование на рассматриваемую и по существу является корректирующей поправкой к передаточной функции прямого канала.

Аналогично для второго эквивалентного объекта получим передаточную функцию в виде:

На основе формул можно предположить, что если на какой-то частоте модуль корректирующей поправки будет пренебрежимо мал по сравнению с амплитудно-частотной характеристикой прямого канала, поведение эквивалентного объекта на этой частоте будет определятся прямым каналом.

Наиболее важно значение поправки на рабочей частоте каждого контура. В частности, если рабочие частоты двух контуров регулирования co p i и оз р2 существенно различны, то можно ожидать, что взаимное влияние их будет незначительным при условии:

|W п2 (iω pl)| << |W 11 (iω pl)| ; (9)

Где |W п2 (iω pl)| =

Наибольшую опасность представляет случай, когда инерционность прямых и перекрестных каналов приблизительно одинакова. Пусть например, Wn(p)=W12(p)=W21(p)=W22(p)=W(p). Тогда для эквивалентных объектов при условии, что R1(p)=R2(p)=R(p), получим передаточные функции:

частотные характеристики

(11)

На границе устойчивости, согласно критерию Найквиста получим:

или ; (12)

Откуда =l или |R(iω)|=0.5/|W(iω)|

Так, настройка П - регулятора, при которой система находится на границе устойчивости, вдвое меньше, чем в одноконтурной АСР.

Для качественной оценки взаимного влияния контуров регулирования используют комплексный коэффициент связанности:

;(13)

который обычно вычисляют при нулевой частоте (т.е. в установившихся режимах) и на рабочих частотах регуляторов co p i и со Р 2. В частности, при ш=0 значение кс В определяется отношением коэффициентов усиления по перекрестным и основным каналам:

ксв (0)=Ri2 R21 /(R11 R22); (14) Если на этих частотах кс В =0, то объект можно рассматривать как односвязный, при кс В >1 целесообразно поменять местами прямые и перекрестные каналы; 0<кс В <1 расчет одноконтурных АСР необходимо вести по передаточным функциям эквивалентных объектов (7) и (8).

Рассчитаем кс В для нашего варианта:

kcв = (ki2*k2i)/(k11*k22)=(0.47*0.0085)/(0.015*3.25)~0.11

3.1.2 Системы связанного регулирования

На рисунке 8 представлены структурные схемы автономных АСР

Рисунок 3.3 – структурные схемы автономных АСР

а - компенсация воздействий от второго регулятора в первом контуре регулирования;

б - компенсация воздействий от первого регулятора во втором контуре регулирования;

в - автономная система регулирования двух координат. Рисунок Рисунок 8 - Структурные схемы автономных АСР

При анализе сложных систем автоматического регулирования особое значение приобретают их структурные схемы, показывающие точки приложения воздействий и возможные пути распространения сигналов, осуществляющих взаимодействие между элементами системы.

Структурные схемы состоят из следующих структурных элементов:

динамических, осуществляющих некоторую функциональную или операторную связь между их входными и выходными сигналами;

преобразующих, служащих для преобразования характера или структуры сигналов;

сравнения, в которых происходит вычитание или сложение сигналов;

точек разветвления, в которых путь распространения сигнала разветвляется на несколько путей, ведущих к различным точкам системы;

связей или линий структурной схемы, указывающих направления распространения сигналов;

точек приложения воздействий;

логических, осуществляющих логические операции.

Выше нами указывалось, что всякая система автоматического регулирования согласно самому принципу ее действия всегда

имеет, по крайней мере, одну обратную связь, служащую для сравнения действительного и требуемого значения регулируемой величины. Такого рода обратную связь мы условились называть главной.

Нужно, однако, заметить, что современные системы автоматического регулирования, помимо главных обратных связей, число которых равно числу регулируемых величин, часто имеют еще несколько вспомогательных или местных обратных связей. Системы автоматического регулирования с одной регулируемой величиной, имеющие только одну главную обратную связь и не имеющие местных обратных связей, называют одноконтурными. В одноконтурных системах воздействие, приложенное к какой-либо точке, может обойти систему и вернуться в первоначальную точку, следуя только по одному пути обхода (см. рис. II.8). Системы автоматического регулирования, имеющие, помимо одной главной обратной связи, еще одну или несколько главных или местных обратных связей, называют многоконтурными. Многоконтурные системы характеризуются тем, что в них воздействие, приложенное к какой-либо точке, может обойти систему и вернуться в первоначальную точку, следуя по нескольким различным путям обхода.

В качестве примера многоконтурной (двухконтурной) системы автоматического регулирования с одной регулируемой величиной можно привести следящую систему, в которой, помимо главной обратной связи, служащей для образования сигнала ошибки и осуществляемой при помощи сельсина-датчика и сельсина-приемника, имеется еще местная обратная связь; последняя осуществляется при помощи тахогенератора и приключенного к ней RС-контура, напряжение с выхода которого вычитается из сигнала ошибки.

Примером многоконтурной системы автоматического регулирования с несколькими регулируемыми величинами является система регулирования авиационного двигателя, в которой регулируемыми величинами могут быть число оборотов двигателя, давление наддува, угол опережения зажигания, температура масла, температура охлаждающей жидкости и другие величины.

Причины введения местных обратных связей в систему автоматического регулирования бывают самые различные. Так, например, их применяют в корректирующих элементах для преобразования сигнала в соответствии с требуемым законом регулирования, в усилительных элементах - для линеаризации, понижения уровня шумов, понижения выходного сопротивления, в исполнительных элементах - для повышения мощности.

Обратные связи, охватывающие несколько последовательно соединенных элементов системы, могут вводиться для придания им требуемых динамических свойств.

Многомерные системы автоматического регулирования, т. е. системы с несколькими регулируемыми величинами, подразделяют

на системы несвязанного и связанного регулирования.

Системами несвязанного регулирования называют такие, в которых регуляторы, предназначенные для регулирования различных величин, не связаны друг с другом и могут взаимодействовать лишь через общий для них объект регулирования. Системы несвязанного регулирования, в свою очередь, можно подразделить на зависимые и независимые.

Зависимые системы несвязанного регулирования характеризуются тем, что в них изменение одной из регулируемых величин зависит от изменения остальных. Вследствие этого в таких системах процессы регулирования различных регулируемых величин нельзя рассматривать независимо, изолированно друг от друга.

Примером зависимой системы несвязанного регулирования может служить самолет с автопилотом, имеющий самостоятельные каналы управления рулями. Предположим, например, что самолет отклонился от заданного курса. Это вызовет благодаря наличию автопилота отклонение руля поворота. При возвращении к заданному курсу угловые скорости обеих несущих поверхностей самолета, а следовательно, и действующие на них подъемные силы сделаются неодинаковыми, что вызовет крен самолета. При этом автопилот отклонит элероны. В результате отклонений руля поворота и элеронов лобовое сопротивление самолета возрастет. Поэтому он начнет терять высоту, и его продольная ось отклонится от горизонтали. При этом автопилот отклонит руль высоты.

Таким образом, в рассмотренном примере процессы регулирования трех регулируемых величин - курса, поперечного крена и продольного крена, - строго говоря, нельзя считать независимыми друг от друга, несмотря на наличие самостоятельных каналов управления.

Независимая система несвязанного регулирования характеризуется тем, что в ней изменение каждой из регулируемых величин не зависит от изменения остальных, благодаря чему процессы регулирования различных величин можно рассматривать изолированно друг от друга. В качестве примера независимых систем несвязанного регулирования часто можно рассматривать систему регулирования числа оборотов гидротурбины и систему регулирования напряжения вращаемого ею синхронного генератора. Процессы регулирования в этих системах независимы, вследствие того, что процесс регулирования напряжения обычно протекает во много раз быстрее, чем процесс регулирования числа оборотов.

Системами связанного регулирования называют такие системы, в которых регуляторы различных регулируемых величин имеют друг с другом взаимные связи, осуществляющие взаимодействие между ними вне объекта регулирования.

Систему связанного регулирования называют автономной, если связи между входящими в ее состав регуляторами

таковы, что изменение одной из регулируемых величин в процессе регулирования не вызывает изменения остальных регулируемых величин.

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.