Bei der Kaskadenregelung handelt es sich um eine Kaskadierung mehrerer Regler, die zugehörigen Regelkreise sind ineinandergeschachtelt. Die Reglerausgangsgröße eines Reglers (Führungsregler) dient dabei als Führungsgröße für einen anderen (unterlagerter Regler). Die Gesamtregelstrecke wird dadurch in kleinere, besser regelbare Teilstrecken untergliedert. Gegenüber einem direkt wirkenden Regler erhöht sich die Regelgenauigkeit.
Die Kaskadenregelung wird zum Beispiel bei der Lageregelung von CNC-Maschinen eingesetzt:
s: Position (Lage), v: Geschwindigkeit (Drehzahl), a: Beschleunigung, U: Spannung, I: Strom im Motor
rot – Innerer Regelkreis, hier Stromregelkreis mit PI-Regler:
- Regler 1: PI (rot);
- Regelstrecke 1: PT1 (rot); Induktivität und el. Widerstand des Elektromotors,
grün – Mittlerer Regelkreis, hier Drehzahlregelkreis mit PI-Regler:
- Regler 2: PI (grün);
- Regelstrecke 2: PT1 (grün); Masse von Motor und Maschinenteil
blau – Äußerer Regelkreis, hier Lageregelkreis mit P-Regler:
- Regler 3: P (blau);
- Regelstrecke 3: I (blau); Geschwindigkeit verändert die Position
grau – Vorsteuerung der Drehzahl und Beschleunigung
Die inneren Regelkreise (Drehzahl- und Stromregelkreis) müssen schneller sein als die äußeren. Das heißt, ihre Zeitkonstanten müssen kleiner sein, damit die Kaskadenregelung funktioniert. Der Stromregler (PI) ist der schnellste von allen.
Die Vorsteuerung der Drehzahl und Beschleunigung ist nicht Teil der Kaskadenregelung. Sie verbessert das Führungsverhalten. Durch die Drehzahlvorsteuerung wird bei konstanter Geschwindigkeit der Lagefehler (Schleppfehler) etwa null. Wenn alle Störgrößen ausgeregelt sind, gilt: Istposition = Sollposition. Die Beschleunigungsvorsteuerung reduziert den Drehzahlfehler während der Beschleunigung.