Mikä on kaskadiohjaus?

Kaskadiohjaus viittaa prosessinhallintastrategiaan, jossa prosessimuuttujaa ohjataan manipuloimalla siihen liittyvän prosessimuuttujan asetuspistettä. Tässä strategiassa kiinnostavaa muuttujaa ohjataan kahdella rinnakkain toimivalla ohjaussilmukalla. Kemiallisessa prosessiteollisuudessa kaskadiohjausjärjestelmää käytetään usein vähentämään häiriöiden ja häiriöiden vaikutusta ensisijaiseen valvontatavoitteeseen.

Kaskadiohjaussilmukka koostuu ensisijaisesta ja toissijaisesta silmukasta. Näitä silmukoita voidaan kutsua myös ulkosilmukoiksi ja vastaavasti sisäsilmukoiksi. Ensisijainen silmukka tarjoaa toissijaiselle silmukalle asetuspisteen tai tavoitteen prosessille, joka liittyy ensisijaiseen ohjaustavoitteeseen. Ensisijainen silmukka tunnetaan toisinaan isäntäsilmukana, koska se antaa ohjearvon, jota toissijaisen silmukan tai orjasilmukan on noudatettava.

Kaskadiohjauksen käytön ensisijainen tarkoitus prosessinhallintastrategiana on antaa toissijaisen silmukan hallita häiriöitä ennen kuin ne voivat vaikuttaa ensisijaiseen ohjaustavoitteeseen. Jotta tämä ohjausjärjestelmä toimisi tehokkaasti, toissijaisen silmukan prosessidynamiikan on oltava paljon nopeampi kuin ensisijaisen silmukan dynamiikka. Pääsääntöisesti toissijaisen silmukan prosessidynamiikan on oltava vähintään neljä kertaa nopeampi kuin ensisijaisen silmukan prosessidynamiikka.

Yleisin kaskadiohjauksen sovellus useimmissa kemiallisissa prosesseissa sisältää virtaussäätimen käytön toissijaisena silmukana. Useimmilla virtauksen säätimillä on erittäin nopea vasteaika, mikä tekee niistä sopivia ehdokkaita toissijaisiin silmukoihin. Ensisijaiset silmukat keskittyvät yleensä muuttujiin, kuten lämpötilaan, tasoon, potenssivety (pH) -tasoihin tai kemialliseen koostumukseen.

Kaskadiohjaus ei välttämättä rajoitu järjestelmiin, jotka perustuvat vain kahteen ohjaussilmukkaan. Useat kaskadijärjestelyt toimivat samalla tavalla kuin perinteinen kaskadisäätöpiiri, mutta niissä on enemmän kuin kaksi silmukkaa. Esimerkiksi kemiallinen koostumusanalysaattori ja säätösilmukka, joilla on pitkä kuollut aika, voivat luottaa lämpötilan säätöpiiriin prosessin häiriöiden poistamiseksi. Lämpötilan säätösilmukka voi tällöin luottaa vielä nopeampaan säätimeen, kuten virtauksen säätimeen.

On useita tekijöitä, jotka ovat merkityksellisiä tietyn prosessin kaskadiohjaimien kehittämisessä. Esimerkiksi ohjausinsinöörin olisi pohdittava, oliko valitulla toissijaisella silmukalla vahva vaikutus ensisijaiseen kiinnostuksen silmukkaan. Insinöörin olisi myös tiedettävä ehdotetun toissijaisen silmukan prosessidynamiikka. Tällaiset tekijät voivat määrittää, kykeneekö ehdotettu toissijainen silmukka absorboimaan prosessin häiriöitä ja estämään niitä vaikuttamasta ensisijaiseen silmukkaan.