Tuning of cascade control systems

Abstract

Denne oppgåva tek for seg utfordringa med å optimalisera tidsskalaseparasjon i kaskadekontrollsystem, ein mykje brukt industriell kontrollstrategi. Trass i utbreiinga er det framleis mangel på enkle reglar for val av tidskonstant separasjon mellom primære og sekundære sløyfer. Oppgåva tek sikte på å utleia enkle og pålitelege reglar for innstilling av primærkontrollerens tidskonstant ($\tau_{c1}$) ved å optimalisera ein kostnadsfunksjon designet for å halda oppe robustheten til SIMC-PID-innstillingsreglane. Studien evaluerer ulike metodar og historiske tilnærmingar til kaskadekontroll, inkludert arbeidet til McMillan, Huang et al., Padhan og Majhi, og Çakıroğlu et al., og framhevar deira bidrag og avgrensingar. Gjennom MATLAB-simuleringar blir ytinga analysert til ulike innstillingsstrategiar ved å bruka Integrated Absolute Error (IAE) og Total Variation (TV) som nøkkeltal. Resultata indikerer at medan ei nedre grense for tidsskalaseparasjon effektivt kan setjast til 5, krev etablering av ei øvre grense ytterlegare forsking. Den foreslåtte kostnadsfunksjonen kan gi eit balansert mål på yting og robusthet, og antydar potensial for praktisk bruk og framtidig foredling.

This thesis addresses the challenge of optimizing time scale separation in cascade control systems, a widely used industrial control strategy. Despite its prevalence, there remains a lack of straightforward rules for selecting the time constant separation between primary and secondary loops. The thesis aims to derive simple and reliable rules for tuning the primary controller's time constant ($\tau_{c1}$) by optimizing a cost function designed to maintain the robustness of the SIMC-PID tuning rules. The study evaluates various methods and historical approaches to cascade control, including the work of McMillan, Huang et al., Padhan and Majhi, and Çakıroğlu et al., highlighting their contributions and limitations. Through MATLAB simulations, the performance of different tuning strategies is analyzed using Integrated Absolute Error (IAE) and Total Variation (TV) as key metrics. The results indicate that while a lower bound for time scale separation can be effectively set at 5, establishing an upper bound requires further research. The proposed cost function may provide a balanced measure of performance and robustness, suggesting potential for practical application and future refinement.