System sterowania

W przypadku innych zastosowań zobacz System sterowania (ujednoznacznienie) .

Gubernator odśrodkowy jest wczesnym proporcjonalnym mechanizmem sterującym.

System sterowania zarządza, wydaje polecenia, kieruje lub reguluje zachowanie innych urządzeń lub systemów za pomocą pętli sterowania . Może obejmować zarówno pojedynczy regulator ogrzewania domu wykorzystujący termostat sterujący kotłem domowym, jak i duże przemysłowe systemy sterowania , które służą do sterowania procesami lub maszynami. Systemy sterowania są projektowane w inżynierii sterowania .

W przypadku sterowania z modulacją ciągłą do automatycznego sterowania procesem lub operacją używany jest regulator ze sprzężeniem zwrotnym . System sterowania porównuje wartość lub stan regulowanej zmiennej procesowej (PV) z żądaną wartością lub wartością zadaną (SP) i stosuje tę różnicę jako sygnał sterujący, aby doprowadzić wielkość wyjściową zmiennej procesowej instalacji do tej samej wartości, co nastawa.

W przypadku logiki sekwencyjnej i kombinacyjnej używana jest logika programowa , na przykład w programowalnym sterowniku logicznym . [ wymagane wyjaśnienie ]

Sterowanie w otwartej i zamkniętej pętli

Istnieją dwie wspólne klasy działań kontrolnych: pętla otwarta i pętla zamknięta. W systemie sterowania z otwartą pętlą działanie sterujące ze strony sterownika jest niezależne od zmiennej procesowej. Przykładem tego jest kocioł centralnego ogrzewania sterowany tylko przez programator czasowy. Czynnością sterującą jest włączenie lub wyłączenie kotła. Zmienną procesową jest temperatura budynku. Sterownik ten steruje systemem grzewczym przez stały czas niezależnie od temperatury panującej w budynku.

W systemie sterowania z zamkniętą pętlą działanie sterujące ze strony sterownika zależy od pożądanej i rzeczywistej zmiennej procesowej. W przypadku analogii z kotłem wykorzystywałoby to termostat do monitorowania temperatury w budynku i zwrotny sygnał, aby upewnić się, że wyjście regulatora utrzymuje temperaturę w budynku zbliżoną do ustawionej na termostacie. Regulator z zamkniętą pętlą ma pętlę sprzężenia zwrotnego, która zapewnia, że ​​regulator wykonuje działanie sterujące w celu sterowania zmienną procesową o tej samej wartości, co wartość zadana. Z tego powodu kontrolery z zamkniętą pętlą są również nazywane kontrolerami ze sprzężeniem zwrotnym.

Systemy kontroli sprzężenia zwrotnego

Przykład pojedynczej przemysłowej pętli sterowania; pokazujący stale modulowaną kontrolę przepływu procesu.
Podstawowa pętla sprzężenia zwrotnego

W przypadku systemów z liniowym sprzężeniem zwrotnym pętla sterowania zawierająca czujniki , algorytmy sterowania i siłowniki jest ułożona w celu regulacji zmiennej w punkcie nastawy (SP). Codziennym przykładem jest tempomat w pojeździe drogowym; gdzie wpływy zewnętrzne, takie jak wzniesienia, spowodowałyby zmiany prędkości, a kierowca ma możliwość zmiany żądanej ustawionej prędkości. Algorytm PID w sterowniku przywraca prędkość rzeczywistą do prędkości zadanej w optymalny sposób, z minimalnym opóźnieniem lub przeregulowaniem , sterując mocą wyjściową silnika pojazdu.

Systemy sterowania, które obejmują pewne wykrywanie wyników, które starają się osiągnąć, wykorzystują sprzężenie zwrotne i mogą do pewnego stopnia dostosowywać się do różnych okoliczności. Systemy sterowania w otwartej pętli nie wykorzystują sprzężenia zwrotnego i działają tylko w ustalony wcześniej sposób.

Sterowanie logiczne

Systemy sterowania logicznego dla maszyn przemysłowych i handlowych były historycznie realizowane przez połączone ze sobą przekaźniki elektryczne i zegary krzywkowe wykorzystujące logikę drabinkową . Obecnie większość takich systemów jest zbudowana z mikrokontrolerów lub bardziej wyspecjalizowanych programowalnych sterowników logicznych (PLC). Notacja logiki drabinkowej jest nadal używana jako metoda programowania sterowników PLC.

Sterowniki logiczne mogą reagować na przełączniki i czujniki oraz powodować uruchamianie i zatrzymywanie różnych operacji przez maszynę za pomocą elementów wykonawczych . Sterowniki logiczne są używane do sekwencjonowania operacji mechanicznych w wielu aplikacjach. Przykładami są windy, pralki i inne systemy, których operacje są ze sobą powiązane. Automatyczny system sterowania sekwencyjnego może uruchomić szereg mechanicznych siłowników we właściwej kolejności w celu wykonania zadania. Na przykład różne przetworniki elektryczne i pneumatyczne mogą składać i sklejać kartonowe pudełko, napełniać je produktem, a następnie zamykać w automatycznej maszynie pakującej.

Oprogramowanie PLC można pisać na wiele różnych sposobów – schematy drabinkowe, SFC ( sekwencyjne wykresy funkcyjne ) lub listy instrukcji .

Sterowanie włącz-wyłącz

Główny artykuł: Kontrola Bang-Bang

Sterowanie włącz-wyłącz wykorzystuje kontroler ze sprzężeniem zwrotnym, który gwałtownie przełącza się między dwoma stanami. Prosty bimetaliczny termostat domowy można opisać jako regulator on-off. Gdy temperatura w pomieszczeniu (PV) spadnie poniżej ustawionej przez użytkownika (SP) następuje włączenie grzałki. Innym przykładem jest przełącznik ciśnienia w sprężarce powietrza. Gdy ciśnienie (PV) spadnie poniżej wartości zadanej (SP), sprężarka jest zasilana. Lodówki i pompy próżniowe zawierają podobne mechanizmy. Proste systemy sterowania włączania i wyłączania, takie jak te, mogą być tanie i skuteczne.

Kontrola liniowa

Liniowe systemy sterowania wykorzystują ujemne sprzężenie zwrotne do wytworzenia sygnału sterującego w celu utrzymania kontrolowanego PV na żądanym SP. Istnieje kilka rodzajów systemów sterowania liniowego o różnych możliwościach.

Sterowanie proporcjonalne

Główny artykuł: Regulacja proporcjonalna
Odpowiedzi krokowe dla systemu drugiego rzędu zdefiniowanego przez funkcję przenoszenia jest tłumienia to nietłumiona częstotliwość drgań własnych

Regulacja proporcjonalna to rodzaj liniowego systemu sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, w którym do wielkości regulowanej stosowana jest korekcja proporcjonalna do różnicy między wartością zadaną (SP) a wartością mierzoną (PV). Dwa klasyczne mechaniczne przykłady to zawór dozujący do pływaka w muszli klozetowej i regulator lotu .

System sterowania proporcjonalnego jest bardziej złożony niż system sterowania włącz-wyłącz, ale prostszy niż system sterowania proporcjonalno-całkująco-różniczkującego (PID) stosowany na przykład w tempomacie samochodowym . Sterowanie włącz-wyłącz będzie działać w systemach, które nie wymagają dużej dokładności ani szybkości reakcji, ale nie jest skuteczne w przypadku szybkich i terminowych korekt i odpowiedzi. Sterowanie proporcjonalne rozwiązuje ten problem poprzez modulowanie zmiennej manipulowanej (MV), takiej jak zawór sterujący , na poziomie wzmocnienia, który pozwala uniknąć niestabilności, ale stosuje korekcję tak szybko, jak to możliwe, stosując optymalną wielkość korekty proporcjonalnej.

Wadą regulacji proporcjonalnej jest to, że nie może ona wyeliminować błędu resztkowego SP-PV, ponieważ do wygenerowania wyjścia proporcjonalnego wymagany jest błąd. Aby temu zaradzić, można użyć kontrolera PI . Regulator PI wykorzystuje człon proporcjonalny (P) do usunięcia błędu brutto oraz człon całkujący (I) do wyeliminowania błędu przesunięcia resztkowego poprzez całkowanie błędu w czasie.

W niektórych systemach istnieją praktyczne ograniczenia zasięgu SN. Na przykład grzejnik ma ograniczenie ilości ciepła, które może wytworzyć, a zawór może się otworzyć tylko do pewnego stopnia. Korekty wzmocnienia jednocześnie zmieniają zakres wartości błędów, w których MV mieści się między tymi granicami. Szerokość tego zakresu, w jednostkach zmiennej błędu, a tym samym PV, nazywana jest pasmem proporcjonalności (PB).

Przykład pieca

Podczas regulacji temperatury pieca przemysłowego zwykle lepiej jest sterować otwarciem zaworu paliwowego proporcjonalnie do aktualnych potrzeb pieca. Pomaga to uniknąć szoków termicznych i skuteczniej rozprowadza ciepło.

Przy niskich wzmocnieniach po wykryciu błędów stosowana jest tylko niewielka akcja korygująca. System może być bezpieczny i stabilny, ale może działać wolno w odpowiedzi na zmieniające się warunki. Błędy pozostaną nieskorygowane przez stosunkowo długi czas, a system zostanie przeciążony . Jeśli wzmocnienie proporcjonalne zostanie zwiększone, takie systemy stają się bardziej responsywne, a błędy są usuwane szybciej. Istnieje optymalna wartość ustawienia wzmocnienia, gdy mówi się, że cały system jest krytycznie wytłumiony . Zwiększenie wzmocnienia pętli poza ten punkt prowadzi do oscylacji PV i taki system jest niedotłumiony . Regulacja wzmocnienia w celu osiągnięcia krytycznego tłumienia jest znana jako strojenie systemu sterowania.

W przypadku niedotłumienia piec szybko się nagrzewa. Gdy wartość zadana zostanie osiągnięta, ciepło zmagazynowane w podsystemie nagrzewnicy iw ścianach pieca spowoduje, że zmierzona temperatura wzrośnie powyżej wymaganego poziomu. Po wzroście powyżej wartości zadanej temperatura spada iw końcu ponownie doprowadzane jest ciepło. Jakiekolwiek opóźnienie w ponownym nagrzaniu podsystemu nagrzewnicy pozwala na dalszy spadek temperatury pieca poniżej wartości zadanej i cykl się powtarza. Wahania temperatury powodowane przez niedostatecznie tłumiony system sterowania piecem są niepożądane.

W systemie krytycznie tłumionym, gdy temperatura zbliża się do wartości zadanej, dopływ ciepła zaczyna się zmniejszać, tempo nagrzewania pieca ma czas na spowolnienie, a system unika przeregulowania. Przeregulowania można również uniknąć w systemie z przetłumieniem, ale system z przetłumieniem jest niepotrzebnie powolny, aby początkowo osiągnąć wartość zadaną, reagując na zewnętrzne zmiany w systemie, np. otwarcie drzwi pieca.

Regulacja PID

Schemat blokowy regulatora PID
Wpływ zmiennych parametrów PID (Kp , Ki , Kd ) na odpowiedź skokową układu
Główny artykuł: regulator PID

Regulatory czysto proporcjonalne muszą działać z błędem resztkowym w systemie. Chociaż regulatory PI eliminują ten błąd, nadal mogą działać wolno lub powodować oscylacje. Regulator PID rozwiązuje te ostatnie niedociągnięcia, wprowadzając różniczkowe (D) w celu zachowania stabilności przy jednoczesnej poprawie responsywności.

Działanie pochodne

Pochodna dotyczy szybkości zmiany błędu w czasie: jeśli mierzona zmienna zbliża się szybko do wartości zadanej, wówczas siłownik jest wycofywany wcześnie, aby umożliwić mu wybieg do wymaganego poziomu; i odwrotnie, jeśli zmierzona wartość zaczyna gwałtownie oddalać się od wartości zadanej, stosuje się dodatkowy wysiłek — proporcjonalnie do tej szybkości, aby pomóc cofnąć ją.

W systemach sterowania obejmujących sterowanie ruchem ciężkiego przedmiotu, takiego jak pistolet lub kamera w poruszającym się pojeździe, działanie różniczkowe dobrze dostrojonego regulatora PID może pozwolić mu osiągnąć i utrzymać wartość zadaną lepiej niż większość wykwalifikowanych operatorów. Jeśli działanie różniczkowe jest nadmiernie stosowane, może to jednak prowadzić do oscylacji.

Integralne działanie

Zmiana odpowiedzi układu drugiego rzędu na skokowe wejście dla zmieniających się wartości Ki

Składnik całkujący potęguje efekt długoterminowych błędów w stanie ustalonym, stosując coraz większy wysiłek, aż błąd zostanie usunięty. W powyższym przykładzie pieca pracującego w różnych temperaturach, jeśli dostarczane ciepło nie doprowadza pieca do wartości zadanej z jakiegokolwiek powodu, działanie całkujące przesuwa zakres proporcjonalności względem wartości zadanej, aż błąd PV zostanie zredukowany do zera i wartość zadana zostaje osiągnięta.

Zwiększaj % na minutę

Niektóre kontrolery zawierają opcję ograniczenia „procentowego wzrostu na minutę”. Opcja ta może być bardzo pomocna przy stabilizacji małych kotłów (3 MBTUH), szczególnie w okresie letnim, przy niewielkich obciążeniach. Kocioł użyteczności publicznej „może wymagać zmiany obciążenia z szybkością nawet 5% na minutę (IEA Coal Online - 2, 2007)”. [ nieudana weryfikacja ]

Inne techniki

Możliwe jest filtrowanie sygnału PV lub sygnału błędu. Może to pomóc zmniejszyć niestabilność lub oscylacje poprzez zmniejszenie odpowiedzi systemu na niepożądane częstotliwości. Wiele systemów ma częstotliwość rezonansową . Odfiltrowując tę ​​częstotliwość, można zastosować silniejsze ogólne sprzężenie zwrotne przed wystąpieniem oscylacji, dzięki czemu system jest bardziej responsywny bez wstrząsów.

Systemy sprzężenia zwrotnego można łączyć. W sterowaniu kaskadowym jedna pętla sterowania stosuje algorytmy sterowania do mierzonej zmiennej względem wartości zadanej, ale następnie dostarcza zmienną wartość zadaną do innej pętli sterowania, zamiast bezpośrednio wpływać na zmienne procesowe. Jeśli system ma kilka różnych mierzonych zmiennych, które mają być kontrolowane, dla każdej z nich będą obecne oddzielne systemy sterowania.

Inżynieria sterowania w wielu zastosowaniach tworzy systemy sterowania, które są bardziej złożone niż regulacja PID. Przykłady takich zastosowań terenowych obejmują systemy sterowania samolotami typu fly-by-wire , zakłady chemiczne i rafinerie ropy naftowej. Modelowe systemy sterowania predykcyjnego są projektowane przy użyciu specjalistycznego oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo i empirycznych modeli matematycznych kontrolowanego systemu.

Logika rozmyta

Główny artykuł: Logika rozmyta

Logika rozmyta to próba zastosowania łatwej konstrukcji sterowników logicznych do sterowania złożonymi, ciągle zmieniającymi się systemami. Zasadniczo pomiar w systemie z logiką rozmytą może być częściowo prawdziwy.

Zasady systemu są napisane w języku naturalnym i przetłumaczone na logikę rozmytą. Na przykład projekt pieca zaczynałby się od: „Jeśli temperatura jest zbyt wysoka, zmniejsz ilość paliwa w piecu. Jeśli temperatura jest zbyt niska, zwiększ ilość paliwa w piecu”.

Pomiary ze świata rzeczywistego (takie jak temperatura pieca) są rozmyte , a logika jest obliczana arytmetycznie, w przeciwieństwie do logiki boolowskiej , a wyjścia są rozmyte w celu sterowania sprzętem.

Gdy solidny projekt rozmyty zostanie zredukowany do jednego, szybkiego obliczenia, zaczyna przypominać konwencjonalne rozwiązanie z pętlą sprzężenia zwrotnego i może się wydawać, że projekt rozmyty był niepotrzebny. Jednak paradygmat logiki rozmytej może zapewnić skalowalność dla dużych systemów sterowania, w których konwencjonalne metody stają się nieporęczne lub kosztowne w wyprowadzaniu. [ potrzebne źródło ]

Elektronika rozmyta to technologia elektroniczna, która wykorzystuje logikę rozmytą zamiast logiki dwuwartościowej powszechnie stosowanej w elektronice cyfrowej .

Realizacja fizyczna

Dyspozytornia DCS, w której duże ekrany wyświetlają informacje o instalacji. Operatorzy mogą przeglądać i kontrolować dowolną część procesu z ekranów swoich komputerów, jednocześnie zachowując przegląd instalacji na większych ekranach.
Panel sterowania hydraulicznej prasy termicznej

Zakres implementacji systemów sterowania rozciąga się od sterowników kompaktowych często z dedykowanym oprogramowaniem dla konkretnej maszyny lub urządzenia, po rozproszone systemy sterowania do sterowania procesami przemysłowymi dla dużej fizycznej instalacji .

Systemy logiczne i sterowniki ze sprzężeniem zwrotnym są zwykle realizowane z programowalnymi sterownikami logicznymi .

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Control_system&oldid=1134689348 ”