Sistem de control - Control system

Guvernatorul centrifugal este un timpuriu de control proporțional mecanism.

Un sistem de control gestionează, comandă, direcționează sau reglează comportamentul altor dispozitive sau sisteme folosind bucle de control . Poate varia de la un singur controler de încălzire a locuinței folosind un termostat care controlează un cazan de uz casnic la sisteme mari de control industrial care sunt utilizate pentru controlul proceselor sau al mașinilor.

Pentru controlul continuu modulat, un controler de feedback este utilizat pentru a controla automat un proces sau o operațiune. Sistemul de control compară valoarea sau starea variabilei de proces (PV) care este controlată cu valoarea sau valoarea de referință dorită (SP) și aplică diferența ca semnal de control pentru a aduce ieșirea variabilei de proces a instalației la aceeași valoare ca și setpoint.

Pentru secventiala si logica combinationale , logica de software , cum ar fi într - un controler logic programabil , este utilizat.

Control în buclă deschisă și închisă

Există două clase comune de acțiune de control: buclă deschisă și buclă închisă. Într-un sistem de control cu ​​buclă deschisă, acțiunea de control de la controler este independentă de variabila de proces. Un exemplu în acest sens este un cazan de încălzire centrală controlat numai de un temporizator. Acțiunea de control este pornirea sau oprirea cazanului. Variabila de proces este temperatura clădirii. Acest controler operează sistemul de încălzire pentru un timp constant, indiferent de temperatura clădirii.

Într-un sistem de control cu ​​buclă închisă, acțiunea de control de la controler depinde de variabila de proces dorită și reală. În cazul analogiei cazanului, acest lucru ar utiliza un termostat pentru a monitoriza temperatura clădirii și ar transmite un semnal pentru a se asigura că ieșirea controlerului menține temperatura clădirii aproape de cea setată pe termostat. Un controler cu buclă închisă are o buclă de feedback care asigură că controlerul exercită o acțiune de control pentru a controla o variabilă de proces la aceeași valoare ca punctul de referință. Din acest motiv, controlerele cu buclă închisă sunt numite și controlere de feedback.

Sisteme de control al feedback-ului

Exemplu de buclă de control industrială unică; care arată controlul continuu modulat al fluxului procesului.
O buclă de feedback de bază

În cazul sistemelor de feedback liniar , o buclă de control care include senzori , algoritmi de control și actuatoare este aranjată în încercarea de a regla o variabilă la un punct de referință (SP). Un exemplu de zi cu zi este controlul vitezei de croazieră pe un vehicul rutier; unde influențele externe, cum ar fi dealurile, ar provoca schimbări de viteză, iar șoferul are capacitatea de a modifica viteza setată dorită. Algoritmul PID în controlerul restabilește viteza reală la viteza dorită în modul optim, cu întârziere minimă sau ratei de depășire , prin controlul puterea motorului vehiculului.

Sistemele de control care includ o anumită percepție a rezultatelor pe care încearcă să le obțină folosesc feedback-ul și se pot adapta într-o anumită măsură la diferite circumstanțe. Sistemele de control în buclă deschisă nu folosesc feedback-ul și rulează numai în moduri prestabilite.

Controlul logicii

Sistemele de control logic pentru mașinile industriale și comerciale au fost implementate în mod istoric prin relee electrice interconectate și temporizatoare cu came folosind logica scării . Astăzi, majoritatea acestor sisteme sunt construite cu microcontrolere sau controlere logice programabile (PLC) mai specializate . Notarea logicii ladder este încă utilizată ca metodă de programare pentru PLC-uri.

Controlerele logice pot răspunde la întrerupătoare și senzori și pot determina pornirea și oprirea diferitelor operațiuni ale utilajelor prin utilizarea dispozitivelor de acționare . Controlerele logice sunt utilizate pentru secvențierea operațiilor mecanice în multe aplicații. Exemplele includ ascensoare, mașini de spălat și alte sisteme cu operațiuni interdependente. Un sistem automat de control secvențial poate declanșa o serie de actuatoare mecanice în ordinea corectă pentru a efectua o sarcină. De exemplu, diferiți traductori electrici și pneumatici pot plia și lipi o cutie de carton, o pot umple cu produs și apoi o pot sigila într-o mașină de ambalat automat.

Software-ul PLC poate fi scris în mai multe moduri diferite - diagrame de scară, SFC ( diagrame funcționale secvențiale ) sau liste de instrucțiuni .

Control on-off

Controlul pornit-oprit utilizează un controler de feedback care comută brusc între două stări. Un simplu termostat domestic bimetalic poate fi descris ca un controler on-off. Când temperatura din cameră (PV) scade sub setarea utilizatorului (SP), încălzitorul este pornit. Un alt exemplu este un presostat pe un compresor de aer. Când presiunea (PV) scade sub valoarea de referință (SP), compresorul este alimentat. Frigiderele și pompele de vid conțin mecanisme similare. Sisteme simple de control on-off precum acestea pot fi ieftine și eficiente.

Control liniar

Sistemele de control liniar utilizează feedback negativ pentru a produce un semnal de control pentru a menține PV controlat la SP dorit. Există mai multe tipuri de sisteme de control liniar cu capacități diferite.

Control proporțional

Răspunsuri de pas pentru un sistem de ordinul doi definit de funcția de transfer , unde este raportul de amortizare și este frecvența naturală neamortizată .

Controlul proporțional este un tip de sistem de control al feedbackului liniar în care se aplică o corecție variabilei controlate, care este proporțională cu diferența dintre valoarea dorită (SP) și valoarea măsurată (PV). Două exemple mecanice clasice sunt supapa de proporționare a plutitorului vasului de toaletă și regulatorul de bilă .

Sistemul de control proporțional este mai complex decât un sistem de control pornit-oprit, dar mai simplu decât un sistem de control proporțional-integral-derivat (PID) utilizat, de exemplu, într-un control automat al vitezei de croazieră . Controlul on-off va funcționa pentru sistemele care nu necesită o precizie sau o reacție ridicată, dar nu sunt eficiente pentru corecții și răspunsuri rapide și în timp util. Controlul proporțional depășește acest lucru modulând variabila manipulată (MV), cum ar fi o supapă de control , la un nivel de câștig care evită instabilitatea, dar aplică corecția cât mai repede posibil prin aplicarea cantității optime de corecție proporțională.

Un dezavantaj al controlului proporțional este că nu poate elimina eroarea SP-PV reziduală, deoarece necesită o eroare pentru a genera o ieșire proporțională. Un controler PI poate fi folosit pentru a depăși acest lucru. Controlerul PI utilizează un termen proporțional (P) pentru a elimina eroarea brută și un termen integral (I) pentru a elimina eroarea de compensare reziduală prin integrarea erorii în timp.

În unele sisteme există limite practice ale gamei de MT. De exemplu, un încălzitor are o limită la cantitatea de căldură pe care o poate produce și o supapă se poate deschide numai până acum. Ajustările câștigului modifică simultan gama valorilor de eroare peste care MV se află între aceste limite. Lățimea acestui interval, în unități ale variabilei de eroare și, prin urmare, a PV, se numește banda proporțională (PB).

Exemplu cuptor

Când controlați temperatura unui cuptor industrial , este de obicei mai bine să controlați deschiderea supapei de combustibil proporțional cu necesitățile curente ale cuptorului. Acest lucru ajută la evitarea șocurilor termice și aplică căldura mai eficient.

La câștiguri mici, se aplică doar o mică acțiune corectivă atunci când sunt detectate erori. Sistemul poate fi sigur și stabil, dar poate fi lent, ca răspuns la schimbarea condițiilor. Erorile vor rămâne necorectate pentru perioade de timp relativ lungi, iar sistemul este supra-amortizat . Dacă creșterea proporțională este crescută, astfel de sisteme devin mai receptive și erorile sunt tratate mai rapid. Există o valoare optimă pentru setarea câștigului atunci când se spune că sistemul general este amortizat critic . Creșterile câștigului buclei dincolo de acest punct duc la oscilații în PV și un astfel de sistem este subamortizat . Reglarea câștigului pentru a obține un comportament amortizat critic este cunoscută sub numele de reglare a sistemului de control.

În cazul subamortizat, cuptorul se încălzește rapid. Odată ce valoarea de referință este atinsă, căldura stocată în subsistemul de încălzire și în pereții cuptorului va menține temperatura măsurată crescând dincolo de ceea ce este necesar. După creșterea peste punctul de referință, temperatura scade înapoi și, în cele din urmă, se aplică din nou căldură. Orice întârziere în reîncălzirea subsistemului de încălzire permite ca temperatura cuptorului să scadă cu mult sub valoarea de referință și ciclul se repetă. Oscilațiile de temperatură pe care le produce un sistem de control al cuptorului subamortizat sunt nedorite.

Într-un sistem cu amortizare critică, pe măsură ce temperatura se apropie de valoarea de referință, puterea de căldură începe să fie redusă, rata de încălzire a cuptorului are timp să încetinească și sistemul evită depășirea. Depășirea este, de asemenea, evitată într-un sistem supra-amortizat, dar un sistem supra-amortizat este inutil de lent pentru a atinge inițial punctul de referință pentru a răspunde la modificările externe ale sistemului, de exemplu deschiderea ușii cuptorului.

Controlul PID

O diagramă bloc a unui controler PID
Efectele parametrilor PID diferiți (K p , K i , K d ) asupra răspunsului la pas al unui sistem.

Controlerele proporționale pure trebuie să funcționeze cu erori reziduale în sistem. Deși controlerele PI elimină această eroare, ele pot fi totuși lente sau pot produce oscilații. Controlerul PID abordează aceste neajunsuri finale prin introducerea unei acțiuni derivate (D) pentru a păstra stabilitatea în timp ce capacitatea de reacție este îmbunătățită.

Acțiune derivată

Derivatul se preocupă de rata de schimbare a erorii în timp: dacă variabila măsurată se apropie rapid de valoarea de referință, atunci actuatorul este retrogradat devreme pentru a-i permite să se deplaseze la nivelul dorit; dimpotrivă, dacă valoarea măsurată începe să se îndepărteze rapid de punctul de referință, se aplică un efort suplimentar - proporțional cu acea rapiditate pentru a ajuta la mutarea sa înapoi.

Pe sistemele de control care implică controlul mișcării unui obiect greu, cum ar fi un pistol sau o cameră pe un vehicul în mișcare, acțiunea derivată a unui controler PID bine reglat îi poate permite să atingă și să mențină un punct de referință mai bun decât majoritatea operatorilor umani calificați. Dacă acțiunea derivată este supra-aplicată, aceasta poate duce totuși la oscilații.

Acțiune integrală

Schimbarea răspunsului sistemului de ordinul doi la o intrare în trepte pentru valori Ki variabile.

Termenul integral mărește efectul erorilor de stare staționară pe termen lung, aplicând un efort din ce în ce mai mare până când eroarea este eliminată. În exemplul cuptorului de mai sus, care funcționează la diferite temperaturi, dacă căldura aplicată nu aduce cuptorul la punctul de referință, indiferent de motiv, acțiunea integrală mută din ce în ce mai mult banda proporțională față de punctul de referință până când eroarea PV este redusă la zero și punctul de referință este atins.

Creșteți% pe minut

Unele controlere includ opțiunea de a limita „creșterea% pe minut”. Această opțiune poate fi foarte utilă în stabilizarea cazanelor mici (3 MBTUH), mai ales în timpul verii, în timpul sarcinilor ușoare. O "unitate de cazan utilitar poate fi necesară pentru a schimba sarcina la o rată de până la 5% pe minut (IEA Coal Online - 2, 2007)".

Alte tehnici

Este posibil să filtrați semnalul PV sau de eroare. Acest lucru poate ajuta la reducerea instabilității sau a oscilațiilor prin reducerea răspunsului sistemului la frecvențe nedorite. Multe sisteme au o frecvență rezonantă . Prin filtrarea acelei frecvențe, se poate aplica un feedback global mai puternic înainte ca oscilația să apară, făcând sistemul mai receptiv fără a se scutura.

Sistemele de feedback pot fi combinate. În controlul în cascadă , o buclă de control aplică algoritmi de control unei variabile măsurate în raport cu un punct de referință, dar apoi oferă un punct de referință variabil unei alte bucle de control, mai degrabă decât să afecteze direct variabilele de proces. Dacă un sistem are mai multe variabile diferite măsurate care trebuie controlate, vor fi prezente sisteme de control separate pentru fiecare dintre ele.

Ingineria controlului în multe aplicații produce sisteme de control care sunt mai complexe decât controlul PID. Exemple de astfel de domenii aplicații sisteme de control al aeronavelor fly-by-wire , fabrici chimice și rafinării de petrol. Sistemele de control predictiv ale modelelor sunt proiectate folosind software specializat de proiectare asistată de computer și modele matematice empirice ale sistemului care urmează să fie controlat.

Logică neclară

Logica fuzzy este o încercare de a aplica proiectarea ușoară a controlerelor logice la controlul sistemelor complexe care variază continuu. Practic, o măsurare într-un sistem logic fuzzy poate fi parțial adevărată.

Regulile sistemului sunt scrise în limbaj natural și traduse în logică fuzzy. De exemplu, proiectarea unui cuptor ar începe cu: "Dacă temperatura este prea mare, reduceți combustibilul în cuptor. Dacă temperatura este prea scăzută, creșteți combustibilul în cuptor."

Măsurătorile din lumea reală (cum ar fi temperatura unui cuptor) sunt fuzzificate și logica este calculată aritmetic, spre deosebire de logica booleană , iar ieșirile sunt de-fuzzificate pentru a controla echipamentele.

Atunci când un design fuzzy robust este redus într-un singur calcul rapid, acesta începe să semene cu o soluție convențională de buclă de feedback și ar putea părea că designul fuzzy nu era necesar. Cu toate acestea, paradigma logicii fuzzy poate oferi scalabilitate pentru sistemele mari de control în care metodele convenționale devin dificile sau costisitoare.

Fuzzy electronic este o tehnologie electronică care folosește logica fuzzy în loc de logica cu două valori mai frecvent utilizată în electronica digitală .

Implementarea fizică

O cameră de control DCS în care ecranele mari afișează informații despre plante. Operatorii pot vizualiza și controla orice parte a procesului de pe ecranele computerului, păstrând în același timp o imagine de ansamblu a instalației pe ecranele mai mari.
Un panou de comandă al unei mașini hidraulice de presare termică

Gama de implementare a sistemului de control este de la controlere compacte, adesea cu software dedicat pentru o anumită mașină sau dispozitiv, la sisteme de control distribuite pentru controlul proceselor industriale pentru o instalație fizică mare .

Sistemele logice și controlerele de feedback sunt de obicei implementate cu controlere logice programabile .

Vezi si

Referințe

linkuri externe