Řídicí systém

Lineární řídicí systémy používají zápornou zpětnou vazbu k vytvoření řídicího signálu, který udržuje řízený PV na požadované SP. Existuje několik typů lineárních řídicích systémů s různými možnostmi.

Proporcionální řízeníUpravit

Krokové odezvy pro systém druhého řádu definovaný přenosovou funkcí H ( s ) = ω n 2 s 2 + 2 ζ ω n s + ω n 2 {\displaystyle H(s)={\frac {\omega _{n}^{2}}{s^{2}+2\zeta \omega _{n}s+\omega _{n}^{2}}}}

, kde ζ {\displaystyle \zeta }

je poměr tlumení a ω n {\displaystyle \omega _{n}}.

je netlumená vlastní frekvence.

Proporcionální regulace je typ lineárního zpětnovazebního řídicího systému, v němž se na řízenou veličinu aplikuje korekce, která je úměrná rozdílu mezi žádanou hodnotou (SP) a měřenou hodnotou (PV). Dvěma klasickými mechanickými příklady jsou plovákový proporcionální ventil záchodové mísy a fly-ball regulátor.

Proporcionální řídicí systém je složitější než zapínací a vypínací řídicí systém, ale jednodušší než proporcionálně-integračně-derivační (PID) řídicí systém používaný např. v automobilovém tempomatu. On-off řízení bude fungovat u systémů, které nevyžadují vysokou přesnost nebo odezvu, ale není efektivní pro rychlé a včasné korekce a reakce. Proporcionální řízení to překonává tím, že moduluje manipulovanou veličinu (MV), například regulační ventil, na úrovni zesílení, která zabraňuje nestabilitě, ale aplikuje korekci tak rychle, jak je to prakticky 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 tohoto problému lze použít PI regulátor. PI regulátor používá proporcionální člen (P) k odstranění hrubé chyby a integrální člen (I) k odstranění zbytkové chyby posunu integrací chyby v čase.

V některých systémech existují praktická omezení rozsahu MV. Například topné těleso má limit, kolik tepla může vyrobit, a ventil se může otevřít jen do určité míry. Úpravy zesílení současně mění rozsah hodnot chyby, v němž se MV pohybuje mezi těmito mezemi. Šířka tohoto rozsahu v jednotkách chybové veličiny, a tedy i MV, se nazývá proporcionální pásmo (PB).

Příklad peceUpravit

Při řízení teploty průmyslové pece je obvykle lepší řídit otevírání palivového ventilu úměrně aktuálním potřebám pece. Tím se zabrání tepelným šokům a teplo se aplikuje účinněji.

Při nízkých ziscích se při zjištění chyb použije pouze malá korekční akce. Systém může být bezpečný a stabilní, ale může pomalu reagovat na měnící se podmínky. Chyby zůstanou bez korekce po relativně dlouhou dobu a systém je přetlumený. Pokud se proporcionální zesílení zvýší, takové systémy začnou reagovat rychleji a chyby se řeší rychleji. Existuje optimální hodnota nastavení zesílení, kdy se o celém systému říká, že je kriticky tlumený. Zvyšování zesílení smyčky nad tento bod vede k oscilacím ve FV a takový systém je poddimenzovaný. Nastavení zesílení pro dosažení kriticky tlumeného chování se nazývá ladění řídicího systému.

V případě nedotlumení se pec rychle zahřívá. Jakmile je dosaženo žádané hodnoty, teplo akumulované v podsystému topení a ve stěnách pece udržuje měřenou teplotu na vyšší úrovni, než je požadováno. Po zvýšení nad požadovanou hodnotu teplota opět klesne a nakonec se teplo opět přivede. Jakékoli zpoždění při opětovném ohřevu podsystému ohřívače umožňuje další pokles teploty pece pod požadovanou hodnotu a cyklus se opakuje. Oscilace teploty, které vytváří nedostatečně tlumený systém regulace pece, jsou nežádoucí.

V kriticky tlumeném systému se s přibližováním teploty k žádané hodnotě začne snižovat příkon tepla, rychlost ohřevu pece se stihne zpomalit a systém se vyhne překmitům. V přetlumené soustavě se také zabrání přeběhnutí, ale přetlumená soustava zbytečně pomalu zpočátku dosahuje žádané hodnoty a reaguje na vnější změny soustavy, např. otevření dvířek pece.

PID regulaceUpravit

Blokové schéma PID regulátoru

Vliv měnících se parametrů PID (Kp,Ki,Kd) na skokovou odezvu soustavy.

Čisté proporcionální regulátory musí pracovat se zbytkovou chybou v systému. Přestože PI regulátory tuto chybu eliminují, mohou být stále pomalé nebo vytvářet oscilace. PID regulátor tyto poslední nedostatky řeší zavedením derivační akce (D), která zachovává stabilitu a zároveň zlepšuje odezvu.

Derivační akceEdit

Derivace se zabývá rychlostí změny chyby v čase:

V řídicích systémech zahrnujících řízení pohybu těžkého předmětu, jako je zbraň nebo kamera na jedoucím vozidle, může derivativní působení dobře vyladěného PID regulátoru umožnit dosáhnout a udržet požadovanou hodnotu lépe než většina kvalifikovaných lidských operátorů. Pokud se však derivační působení aplikuje nadměrně, může vést k oscilacím.

Integrální působeníEdit

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

Integrální člen zvětšuje účinek dlouhodobých chyb ustáleného stavu a uplatňuje stále rostoucí úsilí, dokud není chyba odstraněna. Ve výše uvedeném příkladu pece pracující při různých teplotách, pokud přiváděné teplo z jakéhokoli důvodu nepřivede pec na požadovanou hodnotu, integrální působení stále více posouvá proporcionální pásmo vzhledem k požadované hodnotě, dokud se chyba PV nesníží na nulu a nedosáhne se požadované hodnoty.

Ramp up % za minutuEdit

Některé regulátory obsahují možnost omezit „ramp up % za minutu“. Tato možnost může být velmi užitečná při stabilizaci malých kotlů (3 MBTUH), zejména v létě při malém zatížení. U užitkového kotle „může být požadováno, aby jednotka měnila zatížení rychlostí až 5 % za minutu (IEA Coal Online – 2, 2007)“.

Další technikyUpravit

Je možné filtrovat PV nebo chybový signál. To může pomoci snížit nestabilitu nebo oscilace tím, že se sníží odezva systému na nežádoucí frekvence. Mnoho systémů má rezonanční frekvenci. Odfiltrováním této frekvence lze použít silnější celkovou zpětnou vazbu dříve, než dojde k oscilaci, čímž se systém stane citlivějším, aniž by se rozkmital.

Zpětnovazební systémy lze kombinovat. Při kaskádovém řízení jedna regulační smyčka aplikuje řídicí algoritmy na měřenou veličinu vůči žádané hodnotě, ale pak poskytuje měnící se žádanou hodnotu jiné regulační smyčce, místo aby přímo ovlivňovala procesní veličiny. Má-li systém několik různých měřených veličin, které je třeba řídit, budou pro každou z nich přítomny samostatné řídicí systémy.

Řídicí technika v mnoha aplikacích vytváří řídicí systémy, které jsou složitější než PID regulace. Příkladem takových aplikací v oborech jsou řídicí systémy letadel fly-by-wire, chemické závody a ropné rafinerie. Systémy modelového prediktivního řízení se navrhují pomocí specializovaného softwaru pro počítačové navrhování a empirických matematických modelů systému, který má být řízen.