Kaskadenregelung

Die Kaskadenregelung verschachtelt einen schnellen inneren Regelkreis in einen langsameren äußeren Regelkreis, wobei der Ausgang des äußeren Reglers als Sollwert für den inneren Regler dient. Der innere Kreis hat typischerweise eine 5- bis 20-fach höhere Bandbreite als der äußere, sodass innere Störungen (Ventilreibung, Versorgungsdruckschwankungen, Nichtlinearitäten des Stellglieds) korrigiert werden, bevor sie die äußere Messgröße merklich beeinflussen können. Als Faustregel gilt, dass die innere Zeitkonstante mindestens 3-mal kleiner sein muss als die äußere: Beträgt die äußere (Temperatur-)Zeitkonstante 5 Minuten, muss die innere (Durchfluss- oder Ventilstellung-)Zeitkonstante unter 100 Sekunden liegen. Der äußere PID-Regler sieht nur das gutartige Antwortverhalten des geschlossenen inneren Regelkreises und kann so abgestimmt werden, als wäre das innere Stellglied ideal.

Ein typisches industrielles Beispiel ist ein Prozessofen: Der äußere Regelkreis steuert die Austrittstemperatur mit einem Sollwert für den Brennstoffmassenstrom, während der innere Regelkreis den tatsächlichen Brennstoffmassenstrom über das Regelventil steuert. Ohne Kaskadenregelung bewirkt ein Abfall des Versorgungsdrucks einen Brennstoffmengenverlust, den der Temperatursensor erst nach einer thermischen Verzugszeit von 2 bis 5 Minuten registriert, was zu einer großen Temperaturabweichung führt. Mit Kaskadenregelung erkennt der innere Durchflussregler den Druckabfall innerhalb von Sekunden und korrigiert die Ventilstellung, bevor die Temperatur um mehr als 0,5 bis 1 Grad Celsius abweicht. Die Kaskade linearisiert auch den äußeren Regelkreis: Da der innere Kreis die Stellgröße präzise kontrolliert, interagiert der äußere Kreis unabhängig von Ventilhysterese oder Totband mit einem nahezu linearen inneren Teilsystem. Dieses Prinzip gilt gleichermaßen für Druck/Durchfluss-, Drehzahl/Drehmoment- und Lage/Geschwindigkeit-Kaskaden in der Antriebstechnik.