Definition und Funktionsweise:
Die Kaskadenregelung (engl. Cascade Control) ist eine fortgeschrittene Regelungsstruktur, die in der Automatisierungstechnik eingesetzt wird, um die Regelgüte und Stabilität eines Regelkreises zu verbessern, insbesondere bei Prozessen mit großen Totzeiten, Störgrößen, die innerhalb des Regelkreises angreifen, oder bei nicht-linearem Verhalten.
Bei der Kaskadenregelung werden mindestens zwei hierarchisch angeordnete Regelkreise miteinander verbunden: ein äußerer (primärer) Regelkreis und ein innerer (sekundärer) Regelkreis. Der Ausgang des primären Reglers dient dabei als Sollwert für den sekundären Regler.
Beispiel (Temperaturregelung mit Heizleistungsregelung):
- Primärer Regelkreis (Temperatur): Misst die Prozesstemperatur und vergleicht sie mit dem Temperatursollwert. Der Ausgang des primären PID-Reglers ist nicht direkt die Heizleistung, sondern der *Sollwert* für die Heizleistung.
- Sekundärer Regelkreis (Heizleistung): Misst die tatsächliche Heizleistung (z.B. über Strom) und regelt diese auf den Sollwert, den der primäre Regler vorgibt. Der Ausgang des sekundären Reglers steuert dann den Aktor (z.B. ein Heizschütz oder ein Leistungssteller).
Der innere Regelkreis ist in der Regel schneller als der äußere Regelkreis und kompensiert Störungen, die direkt auf die im inneren Kreis geregelte Größe wirken (z.B. Schwankungen der Versorgungsspannung der Heizung), bevor sie den äußeren Regelkreis beeinflussen können.
Vorteile der Kaskadenregelung:
- Verbesserte Regelgüte: Schnellere und präzisere Reaktion auf Störungen.
- Reduzierung von Störeinflüssen: Störungen im inneren Regelkreis werden abgefangen, bevor sie den Hauptprozess beeinflussen.
- Handhabung von Totzeiten: Kann die Auswirkungen von Totzeiten im Prozess reduzieren.
- Lineares Verhalten: Der äußere Regler „sieht“ durch den inneren Regler oft ein lineareres Verhalten der Strecke.
- Erhöhte Stabilität.
Anwendungsbereiche:
Kaskadenregelungen sind in vielen Bereichen der Prozess- und Fertigungsindustrie verbreitet:
- Temperaturregelung mit Heizleistungs- oder Durchflussregelung.
- Füllstandsregelung mit Zufluss- oder Abflussregelung.
- Druckregelung mit Durchflussregelung.
- Drehzahlregelung mit Drehmomentregelung (z.B. bei Antrieben).
→ Siehe auch: PID-Regler, Regelkreis, Regelgüte, Regelstrecke, Störgröße, Totzeit
