Cikkünkben egy hőkezelési feladat kapcsán mutatunk rá a kaszkád szabályozás előnyeire. A szabályozandó szakasz egy retortás hőkezelő kemence. Ebben a kemencében a munkadarab egy zárt tokban van. A hőkezelés ma már igen kifinomult tudomány, a munkadarab hőfokát igen szoros határok között kell végigvezetni, ha megfelelő végterméket akarunk kapni.
Lehetséges elrendezések
Mivel itt egy arányos kéttárolós szakaszról van szó (egyik a kemence, másik a tokban levő munkadarab), nyilvánvaló, hogy a munkadarab hőmérséklete hosszú - elméletileg végtelen - idő múlva áll be a kemence hőmérsékletére. Ha egyszerű PID szabályozásban gondolkodunk, és az ellenőrzőjelet a kemence belső teréből vesszük, számítanunk kell arra, hogy ez hosszú ideig nem egyezik a munkadarab hőmérsékletével. Ha a kemencehőfok alapjelét a szükségesnél magasabbra állítjuk, - kísérletezéssel, stopperrel - elfogadható végeredményt kaphatunk. Ezt azonban minden egyes munkadarabra el kell végezni, ami idő- és energiaigényes eljárás, inkább vezérlés mint szabályozás.
Ha pedig az ellenőrzőjelet a tok belsejéből vesszük, a kemence túlhevül, ami egyrészt túllövést, másrészt annak tönkremenetelét is okozhatja. Ezt a módszert sajnos el kell vetni.
Megoldás: kaszkád
A kaszkád szabályozó algoritmus jól kezeli ezt a folyamatot. Egy kaszkádszabályozás két szabályozási körből áll. Mindkét körhöz tartozik egy érzékélő. A master bemenetére érkezik a tokban mért hőmérséklet jele, a kimenete pedig előállítja a slave alapjelét. A slave ellenőrzőjele a kemencehőfok. Ez látható jobboldali ábránkon.
Ezzel az elrendezéssel elérhető, hogy a kemence hőfoka túllendüljön a munkadarabra előírt hőfokon, így az a tokban gyorsabban veszi fel a kívánt hőmér- sékletet (alábbi ábra).
Mikor a tok belseje a kívánt hőmérsékletet alulról kellően megközelíti, a fűtést a master visszaveszi, és a munkadarab hőfoka túllendülés nélkül, nagy pontossággal beáll a kívánt értékre.
Az ábrán egy valós trend, nem szimuláció látható.
Korlátok közé szorítva
A PID.hu olvasói már tudhatják, hogy kis hibájú, gyors szabályozáshoz nagy erősítés kell. Ez a lengéshajlamot erősíti. A kaszkád elrendezés ezen is segíthet:
1.) Állítsuk be a master erősítését úgy hogy a szabályozási tartomány kb. 20-50 oC körül legyen (ez 5,0-2,0 erősítésnek felel meg). Kis időállandójú rendszerhez a kisebb érték jobb.
2.) A master P szabályozó kimenetére állítsuk be az alsó- és a felső korlátot (LiHi és LiLo).
3.) A slave szabályozót (PID legyen) hangoljuk be az önhangolóval úgy, hogy a mastert kézi vezérlésbe tesszük és beállítjuk a master kimenetét 80-100% közti értékre. Itt is állítsunk LiHi határértéket, hogy a kemencét biztosan megvédjük.
4.) A master kör (P szabályozó) erősítését az első hőkezelés eredménye után pontosítsuk.
5.) LiHi és LiLo értékeivel is játszhatunk: A LiHi érték a túllövést, a LiLo érték a tartós eltérést határozza meg. Az időállandók és erősítések arányától függ, hogy mely beállítások hozzák a legmegfelelőbb beállást.
Könnyen beállítható
Látható, hogy egy korszerű Delta T kaszkád működése és beállítása nagyon egyszerű. Nem kell hozzá felsőfokú szabályozástechnikai tanfolyam. Ezzel az elrendezéssel elérhetjük, hogy az önhangolás alapjelének közelében a P master nagy pontossággal és stabilan szabályozza a kört, de az önhangolás alapjelétől távoli tartományokban is jó szabályozást kapunk. Csupán nagyon távoli munkapontban kell a slave szabályozót újra önhangolni.
Ne feledjük, hogy csak jól megtervezett és jól kivitelezett gépeket lehet jól szabályozni. A kaszkád szabályozás külső szabályozási (slave) körének időállandója a masterének kb 1/10-e kell legyen. Egy tréfás meghatározás: Nem működik a kaszkád, ha a slave érzékelője a művezető zsebében van! (Ennél jobb hőtechnikai csatolás szükséges.)
A kaszkád szabályozás mastere lehet programszabályozó is, a slave pedig univerzális szabályozó hűt-fűt algoritmussal. Ilyen automatikával nagyon bonyolult hőkezeléseket is el lehet végezni.