Cascade Control — Outer Loop คุมอุณหภูมิ → Inner Loop คุมความดัน

หลักการ

Cascade Control ใช้ 2 PID loop ซ้อนกัน:

SP_outer ──→ [Outer PID]──→ SP_inner ──→ [Inner PID]──→ Output
                ↑                            ↑
              PV_outer                   PV_inner
              (slow)                     (fast)

ตัวอย่างคลาสสิก: เตา reactor ที่ต้องคุมอุณหภูมิด้วย steam jacket

• Outer loop: PV = อุณหภูมิ reactor (ช้า, ~5 นาทีตอบ), SP = 80°C
• Inner loop: PV = pressure ของ steam jacket (เร็ว, ~5 วินาทีตอบ), SP = ตามที่ outer loop คำนวณ

ทำไม Cascade ดีกว่า Single PID?

ลองดูสถานการณ์: steam pressure ในท่อขึ้นกระทันหัน (disturbance)

Single PID:

1. Steam แรงขึ้น → flow ไปเตามากขึ้น → อุณหภูมิ slowly ขึ้น
2. PID ค่อยๆ เห็นอุณหภูมิเกิน SP (ใช้เวลา)
3. ลด valve → แต่ก่อนหน้า over-shoot ไปเยอะแล้ว

Cascade:

1. Steam แรงขึ้น → pressure jump
2. Inner PID เห็น pressure เกิน SP_inner (เร็วมาก) → ลด valve ทันที
3. อุณหภูมิแทบไม่กระเทือน

สรุป — disturbance ที่เข้าสู่ inner loop ถูก reject ก่อนถึง outer loop

เมื่อใดใช้ Cascade?

• Inner process เร็วกว่า outer ≥ 3-5 เท่า (rule of thumb)
• มี measurable intermediate variable (เช่น pressure, flow ที่ไหลเข้า)
• Disturbance ผ่าน inner loop บ่อย (เช่น supply pressure แกว่ง)

ถ้าไม่ครบเงื่อนไข → ใช้ single PID พอ ไม่ต้องซับซ้อน

Implementation

ตัวอย่างนี้ใช้ PID แบบ P-only (ไม่มี integral) เพื่อ simplicity ถ้าต้องการ full PID ให้ใช้ EPID (Wizard-only ใน SamSoar2022)

Outer:  Error_T = SP_T (D200) - PV_T (D100)
        SP_P = K_outer × Error_T + Bias

Inner:  Error_P = SP_P (D210) - PV_P (D101)
        Valve = K_inner × Error_P + Center

K_outer = 5 (D202): กรณี Error_T = 1°C → SP_P เพิ่ม 5 kPa K_inner = 10 (D212): กรณี Error_P = 1 kPa → Valve เพิ่ม 10 (×0.1%)

ลำดับการทำงาน

First scan
  ↓
SP_T = 80.0°C (D200 = 800)
SP_P_offset (bias) = 50 kPa (D203)
K_outer = 5 (D202)
K_inner = 10 (D212)
PV_P_default = 50 (D211 — used if outer not running)
  ↓
Read sensors:
  D100 = อุณหภูมิ ×0.1°C (e.g. 750 = 75.0°C)
  D101 = ความดัน ×0.1 kPa (e.g. 480 = 48.0 kPa)
  ↓
Outer loop (every scan):
  Err_T = D200 - D100  → D300
  Out_T = K_outer × Err_T → D310
  SP_P  = D203 + D310 → D210
  ↓
Inner loop (every scan):
  Err_P = D210 - D101 → D320
  Out_P = K_inner × Err_P → D330
  Valve = K500 + D330 → D400 (×0.1% — clamp 0-1000)

ขยายเพิ่ม

• PI / PID แทน P-only — ลด steady-state error
• Anti-windup — clamp integral term เมื่อ output saturate
• Mode switching — manual / auto (M coil สลับ source ของ output)
• HMI tuning — เปิด D202, D212 ให้ผู้ใช้ปรับเอง