Kontrolní systém - Control system

Odstředivý regulátor je raně proporcionální mechanismus.

Řídící systém řídí, příkazy, řídí nebo reguluje chování dalšími zařízeními nebo systémy pomocí regulační smyčky . Může sahat od jediného regulátoru vytápění domácnosti pomocí termostatu ovládajícího domácí kotel až po velké průmyslové řídicí systémy, které se používají k řízení procesů nebo strojů.

Pro kontinuálně modulované řízení se používá zpětnovazební ovladač k automatickému řízení procesu nebo operace. Řídicí systém porovnává hodnotu nebo stav regulované procesní proměnné (PV) s požadovanou hodnotou nebo žádanou hodnotou (SP) a aplikuje rozdíl jako řídicí signál, aby uvedl výstup procesní proměnné zařízení na stejnou hodnotu jako žádaná hodnota.

Pro sekvenční a kombinační logiky , software logiku , jako například v programovatelného automatu , je použit.

Řízení s otevřenou smyčkou a uzavřenou smyčkou

Existují dvě běžné třídy ovládání: otevřená smyčka a uzavřená smyčka. V řídicím systému s otevřenou smyčkou je řídicí akce z řadiče nezávislá na procesní proměnné. Příkladem toho je kotel ústředního topení ovládaný pouze časovačem. Ovládací akcí je zapnutí nebo vypnutí kotle. Procesní proměnnou je teplota budovy. Tento regulátor provozuje topný systém po konstantní dobu bez ohledu na teplotu budovy.

V řídicím systému s uzavřenou smyčkou závisí řídicí akce z regulátoru na požadované a skutečné procesní proměnné. V případě analogie kotle by to využívalo termostat ke sledování teploty budovy a zpětný signál, který by zajistil, že výstup regulátoru udržuje teplotu budovy blízko teploty nastavené na termostatu. Řídicí jednotka s uzavřenou smyčkou má zpětnovazební smyčku, která zajišťuje, že řídicí jednotka vykonává regulační akci k řízení procesní proměnné se stejnou hodnotou jako požadovaná hodnota. Z tohoto důvodu se řadiče uzavřené smyčky nazývají také řadiče zpětné vazby.

Systémy zpětné vazby

Příklad jediné průmyslové řídicí smyčky; zobrazující průběžně modulované řízení toku procesu.

Základní zpětnovazební smyčka

V případě lineárních zpětnovazebních systémů je uspořádána řídicí smyčka zahrnující senzory , řídicí algoritmy a akční členy ve snaze regulovat proměnnou na žádanou hodnotu (SP). Každodenním příkladem je tempomat silničního vozidla; kde vnější vlivy, jako jsou kopce, způsobují změny rychlosti a řidič má schopnost měnit požadovanou nastavenou rychlost. Algoritmus PID v regulátoru obnoví skutečné rychlosti na požadovanou rychlost v optimálním způsobem, s minimálním zpožděním nebo překmit , tím, že řídí výstupní výkon motoru vozidla.

Řídicí systémy, které zahrnují určité snímání výsledků, kterých se snaží dosáhnout, využívají zpětnou vazbu a mohou se do určité míry přizpůsobit různým okolnostem. Řídicí systémy s otevřenou smyčkou nevyužívají zpětnou vazbu a fungují pouze předem dohodnutými způsoby.

Logické ovládání

Logické řídicí systémy pro průmyslové a komerční stroje byly historicky implementovány propojenými elektrickými relé a časovači vaček pomocí žebříkové logiky . Dnes je většina takových systémů konstruována s mikrokontroléry nebo více specializovanými programovatelnými logickými kontroléry (PLC). Zápis logiky žebříku se stále používá jako programovací metoda pro PLC.

Logické automaty mohou reagovat na spínače a senzory a mohou způsobit, že strojní zařízení spustí a zastaví různé operace pomocí akčních členů . Logické řadiče se používají k sekvenování mechanických operací v mnoha aplikacích. Mezi příklady patří výtahy, pračky a další systémy se vzájemně souvisejícími činnostmi. Systém automatického sekvenčního řízení může k provedení úkolu spustit řadu mechanických akčních členů ve správném pořadí. Například různé elektrické a pneumatické měniče mohou skládat a lepit lepenkovou krabici, plnit ji produktem a poté ji utěsnit v automatickém balicím stroji.

Software PLC lze psát mnoha různými způsoby - žebříčkovými diagramy, SFC ( sekvenční funkční tabulky ) nebo seznamy výpisů .

Ovládání zapnuto-vypnuto

Řízení zapnuto-vypnuto používá ovladač zpětné vazby, který náhle přepíná mezi dvěma stavy. Jednoduchý bimetalový domácí termostat lze popsat jako regulátor zapnutí / vypnutí. Když teplota v místnosti (PV) poklesne pod uživatelské nastavení (SP), zapne se topení. Dalším příkladem je tlakový spínač na vzduchovém kompresoru. Když tlak (PV) poklesne pod nastavenou hodnotu (SP), je kompresor napájen. Podobné mechanismy obsahují chladničky a vakuové pumpy. Jednoduché takovéto systémy mohou být levné a efektivní.

Lineární ovládání

Lineární řídicí systémy používají negativní zpětnou vazbu k produkci řídicího signálu k udržení regulovaného FV na požadovaném SP. Existuje několik typů lineárních řídicích systémů s různými schopnostmi.

Proporcionální kontrola

Krokové reakce pro systém druhého řádu definované přenosovou funkcí , kde je poměr tlumení a je netlumená vlastní frekvence.${\ displaystyle H (s) = {\ frac {\ omega _ {n} ^ {2}} {s ^ {2} +2 \ zeta \ omega _ {n} s + \ omega _ {n} ^ {2} }}}$${\ displaystyle \ zeta}$${\ displaystyle \ omega _ {n}}$

Proporcionální řízení je typ lineárního zpětnovazebního řídicího systému, při kterém se na regulovanou veličinu aplikuje korekce úměrná rozdílu mezi požadovanou hodnotou (SP) a měřenou hodnotou (PV). Dva klasické mechanické příklady jsou plovákový proporcionální ventil záchodové mísy a regulátor kuličkové koule .

Systém proporcionálního řízení je složitější než systém řízení zapnuto-vypnuto, ale jednodušší než systém řízení proporcionálně-integrálně-derivativní (PID) používaný například v tempomatu automobilu . Řízení zapnuto-vypnuto bude fungovat u systémů, které nevyžadují vysokou přesnost nebo odezvu, ale nejsou účinné pro rychlé a včasné opravy a reakce. Proporcionální řízení to překonává modulováním manipulované proměnné (MV), jako je regulační ventil , na úrovni zesílení, která se vyhne nestabilitě, ale provede korekci tak rychle, jak je to možné, použitím optimálního množství proporcionální korekce.

Nevýhodou proporcionálního řízení je, že nemůže eliminovat zbytkovou chybu SP – PV, protože vyžaduje chybu pro generování proporcionálního výstupu. K překonání lze použít PI regulátor . Regulátor PI používá proporcionální člen (P) k odstranění hrubé chyby a integrální člen (I) k odstranění zbytkové chyby offsetu integrací chyby v čase.

V některých systémech existují praktická omezení rozsahu MV. Například ohřívač má limit na to, kolik tepla dokáže vyprodukovat, a ventil se může otevřít pouze doposud. Úpravy zesílení současně mění rozsah chybových hodnot, nad nimiž je MV mezi těmito limity. Šířka tohoto rozsahu se v jednotkách chybové proměnné, a tedy i PV, nazývá proporcionální pásmo (PB).

Příklad pece

Při řízení teploty průmyslové pece je obvykle lepší řídit otevření palivového ventilu v poměru k aktuálním potřebám pece. To pomáhá vyhnout se tepelným šokům a efektivněji aplikovat teplo.

Při nízkých přírůstcích se při detekci chyb použije jen malá opravná akce. Systém může být bezpečný a stabilní, ale může být pomalý v reakci na měnící se podmínky. Chyby zůstanou po relativně dlouhou dobu neopravené a systém je přetlumený . Pokud se proporcionální zisk zvýší, tyto systémy budou rychlejší a chyby budou řešeny rychleji. Když se říká, že je celý systém kriticky utlumen, je optimální hodnota pro nastavení zesílení . Zvýšení zesílení smyčky nad tento bod vede k oscilacím v PV a takový systém je podtlumený . Nastavení zisku pro dosažení kriticky tlumeného chování je známé jako vyladění řídicího systému.

V tlumeném případě se pec rychle ohřívá. Jakmile je dosaženo požadované hodnoty, akumulované teplo v subsystému ohřívače a ve stěnách pece udrží měřenou teplotu stoupající nad rámec toho, co je požadováno. Po zvýšení nad nastavenou hodnotu teplota poklesne a nakonec se opět použije teplo. Jakékoli zpoždění při opětovném ohřevu subsystému ohřívače umožňuje, aby teplota pece klesla dále pod nastavenou hodnotu a cyklus se opakuje. Teplotní oscilace, které produkuje systém řízení podtlakové pece, jsou nežádoucí.

V kriticky tlumeném systému, jak se teplota blíží požadované hodnotě, se začíná snižovat tepelný příkon, rychlost ohřevu pece se musí zpomalit a systém se vyhne překročení. Překročení je také zabráněno v přehnaném systému, ale příliš vysoký systém je zbytečně pomalý, aby zpočátku dosáhl požadované hodnoty v reakci na vnější změny systému, např. Otevření dvířek pece.

PID řízení

Blokové schéma z PID regulátoru

Vliv různých parametrů PID (K _p , K _i , K _d ) na přechodové charakteristiky systému.

Čisté proporcionální regulátory musí pracovat se zbytkovou chybou v systému. Ačkoli PI regulátory tuto chybu eliminují, mohou být stále pomalé nebo vytvářet oscilace. Řídicí jednotka PID řeší tyto konečné nedostatky zavedením derivační akce (D) pro zachování stability při zlepšené odezvě.

Odvozená akce

Derivace se týká rychlosti změny chyby v čase: Pokud se měřená veličina rychle přiblíží k žádané hodnotě, pak se pohon předčasně vypne, aby umožnil doběh na požadovanou úroveň; naopak, pokud se naměřená hodnota začne rychle vzdalovat od nastavené hodnoty, je třeba vynaložit další úsilí - v poměru k této rychlosti, která ji pomůže posunout zpět.

U řídicích systémů zahrnujících řízení pohybu těžkého předmětu, jako je zbraň nebo kamera v jedoucím vozidle, mu může derivátová akce dobře vyladěného PID regulátoru umožnit dosáhnout a udržovat požadovanou hodnotu lépe než většina kvalifikovaných lidských operátorů. Pokud je derivační akce nadměrně aplikována, může to vést k oscilacím.

Integrální akce

Změna odezvy systému druhého řádu na skokový vstup pro různé hodnoty Ki.

Integrální člen zvětšuje účinek dlouhodobých chyb v ustáleném stavu a vyvíjí stále větší úsilí, dokud není chyba odstraněna. V příkladu výše uvedené pece pracující při různých teplotách, pokud aplikované teplo nepřivede pec na požadovanou hodnotu, z jakéhokoli důvodu integrální akce stále více posouvá proporcionální pásmo vzhledem k požadované hodnotě, dokud se chyba FV nesníží na nulu a je dosažena požadovaná hodnota.

Náběh% za minutu

Některé řadiče obsahují možnost omezit „nárůst o% za minutu“. Tato možnost může být velmi užitečná při stabilizaci malých kotlů (3 MBTUH), zejména v létě, při nízkém zatížení. Může být požadováno, aby užitková kotel „změnila zatížení rychlostí až 5% za minutu (IEA Coal Online - 2, 2007)“.

Další techniky

Je možné filtrovat PV nebo chybový signál. To může pomoci snížit nestabilitu nebo oscilace snížením odezvy systému na nežádoucí frekvence. Mnoho systémů má rezonanční frekvenci . Filtrováním této frekvence lze aplikovat silnější celkovou zpětnou vazbu, než dojde k oscilaci, což způsobí, že systém bude lépe reagovat, aniž by se otřásal.

Systémy zpětné vazby lze kombinovat. V kaskádovém řízení jedna řídicí smyčka aplikuje řídicí algoritmy na měřenou proměnnou proti požadované hodnotě, ale pak poskytuje jinou požadovanou hodnotu jiné řídicí smyčce, než aby přímo ovlivňovala procesní proměnné. Pokud má systém několik různých měřených proměnných, které mají být řízeny, budou pro každou z nich k dispozici samostatné řídicí systémy.

Řídicí technika v mnoha aplikacích vytváří řídicí systémy, které jsou složitější než PID řízení. Příklady takových polních aplikací, řídicí systémy letadel typu fly-by-wire , chemické závody a ropné rafinerie. Modelové systémy prediktivního řízení jsou navrženy pomocí specializovaného počítačově podporovaného návrhového softwaru a empirických matematických modelů systému, který má být řízen.

Fuzzy logika

Fuzzy logic je pokus aplikovat snadný design logických ovladačů na řízení složitých neustále se měnících systémů. V zásadě může být měření ve fuzzy logickém systému částečně pravdivé.

Pravidla systému jsou psána v přirozeném jazyce a překládána do fuzzy logiky. Například návrh pece by začínal slovy: „Je-li teplota příliš vysoká, snižte palivo do pece. Pokud je teplota příliš nízká, zvyšte palivo do pece.“

Měření ze skutečného světa (jako je teplota pece) jsou fuzzifikována a logika je počítána aritmeticky, na rozdíl od logické logiky , a výstupy jsou defuzzifikovány na řídicí zařízení.

Když se robustní fuzzy design zredukuje na jediný rychlý výpočet, začne se podobat konvenčnímu řešení zpětnovazební smyčky a může se zdát, že fuzzy design byl zbytečný. Fuzzy logické paradigma však může poskytnout škálovatelnost pro velké řídicí systémy, kde se konvenční metody stávají nepraktickými nebo nákladnými pro odvození.

Fuzzy elektronika je elektronická technologie, která používá fuzzy logiku místo dvouhodnotové logiky běžněji používané v digitální elektronice .

Fyzická implementace

Řídicí místnost DCS, kde velké obrazovky zobrazují informace o zařízení. Operátoři mohou prohlížet a ovládat jakoukoli část procesu ze svých počítačových obrazovek, přičemž si zachovávají přehled zařízení na větších obrazovkách.

Ovládací panel hydraulického tepelného lisu

Rozsah implementace řídicích systémů je od kompaktních řadičů, často se specializovaným softwarem pro konkrétní stroj nebo zařízení, až po distribuované řídicí systémy pro řízení průmyslových procesů pro velké fyzické zařízení .

Logické systémy a řadiče zpětné vazby jsou obvykle implementovány s programovatelnými řadiči logiky .

Viz také

Reference

externí odkazy

• SystemControl Vytvářejte, simulujte nebo kontrolujte smyčky HWIL pomocí Pythonu. Zahrnuje Kalmanův filtr, ovládání LQG mimo jiné.
• Poloautonomní letový směr - reference unmannedaircraft.org
• Řídicí systém Toolbox pro návrh a analýzu řídicích systémů.
• Výrobce řídicích systémů Návrh a výroba řídicích systémů.
• Funkce Mathematica pro analýzu, návrh a simulaci řídicích systémů
• Python Control System (PyConSys) Vytvářejte a simulujte řídicí smyčky pomocí Pythonu. AI pro nastavení parametrů PID.