Lineære kontrolsystemer anvender negativ feedback til at producere et kontrolsignal for at holde den kontrollerede PV på den ønskede SP. Der findes flere typer af lineære styresystemer med forskellige muligheder.
Proportional styringRediger
, hvor ζ {{\displaystyle \zeta }
er dæmpningsforholdet og ω n {\displaystyle \omega _{n}}
er den u-dæmpede egenfrekvens.
Proportional regulering er en type lineær feedback-reguleringssystem, hvor der påføres en korrektion på den regulerede variabel, som er proportional med forskellen mellem den ønskede værdi (SP) og den målte værdi (PV). To klassiske mekaniske eksempler er toiletskålens flyderproportionsventil og fluekugleregulatoren.
Det proportionale reguleringssystem er mere komplekst end et on-off-reguleringssystem, men enklere end et proportional-integral-derivativ (PID)-reguleringssystem, der f.eks. anvendes i en fartpilot i en bil. On-off-regulering vil fungere til systemer, der ikke kræver høj nøjagtighed eller reaktionsevne, men er ikke effektiv til hurtige og rettidige korrektioner og reaktioner. Proportionalstyring overvinder dette ved at modulere den manipulerede variabel (MV), f.eks. en reguleringsventil, på et forstærkningsniveau, der undgår ustabilitet, men anvender korrektion så hurtigt som praktisk muligt ved at anvende den optimale mængde proportional korrektion.
En ulempe ved proportionalstyring er, at den ikke kan fjerne den resterende SP-PV-fejl, da den kræver en fejl for at generere et proportionalt output. En PI-regulator kan anvendes til at afhjælpe dette. PI-regulatoren anvender et proportionalterm (P) til at fjerne bruttofejlen og et integralterm (I) til at fjerne den resterende forskydningsfejl ved at integrere fejlen over tid.
I nogle systemer er der praktiske grænser for MV’s område. F.eks. har et varmelegeme en grænse for, hvor meget varme det kan producere, og en ventil kan kun åbne så langt, som den kan. Justeringer af forstærkningen ændrer samtidig det område af fejlværdier, hvor MV befinder sig mellem disse grænser. Bredden af dette område, i enheder af fejlvariablen og dermed af PV, kaldes proportionalbåndet (PB).
Eksempel på ovnEdit
Når man styrer temperaturen i en industriovn, er det normalt bedre at styre åbningen af brændselsventilen i forhold til ovnens aktuelle behov. Derved undgår man termiske stød og anvender varmen mere effektivt.
Ved lave forstærkninger anvendes kun en lille korrigerende handling, når der registreres fejl. Systemet kan være sikkert og stabilt, men kan reagere langsomt på ændrede forhold. Fejl forbliver ukorrigerede i relativt lange perioder, og systemet er overdampet. Hvis proportionalforstærkningen øges, bliver sådanne systemer mere lydhøre, og fejl afhjælpes hurtigere. Der findes en optimal værdi for forstærkningsindstillingen, når det samlede system siges at være kritisk dæmpet. En forøgelse af loopforstærkningen ud over dette punkt fører til svingninger i PV’en, og et sådant system er underdampet. Justering af forstærkning for at opnå kritisk dæmpet adfærd kaldes tuning af reguleringssystemet.
I det underdæmpede tilfælde opvarmes ovnen hurtigt. Når setpunktet er nået, vil den lagrede varme i varmesubsystemet og i ovnens vægge holde den målte temperatur oppe ud over det krævede niveau. Efter at temperaturen er steget over setpunktet, falder den tilbage, og til sidst tilføres der igen varme. Enhver forsinkelse i genopvarmningen af varmesubsystemet gør det muligt for ovnens temperatur at falde yderligere under setpunktet, og cyklussen gentager sig. De temperatursvingninger, som et underdæmpet ovnreguleringssystem giver, er uønskede.
I et kritisk dæmpet system begynder varmetilførslen at blive reduceret, efterhånden som temperaturen nærmer sig setpunktet, varmetilførslen begynder at blive reduceret, ovnens opvarmningshastighed har tid til at aftage, og systemet undgår overskridelser. Overskridelse undgås også i et overdampet system, men et overdampet system er unødvendigt langsomt til i første omgang at nå setpunktet som reaktion på eksterne ændringer af systemet, f.eks. åbning af ovndøren.
PID-reguleringRediger
Rene proportionalregulatorer skal fungere med restfejl i systemet. Selv om PI-regulatorer eliminerer denne fejl, kan de stadig være langsomme eller frembringe svingninger. PID-regulatoren afhjælper disse sidste mangler ved at indføre en afledt handling (D) for at bevare stabiliteten, samtidig med at reaktionsevnen forbedres.
Afledt handlingRediger
Den afledte handling vedrører fejlens ændringshastighed i forhold til tiden: Hvis den målte variabel nærmer sig setpunktet hurtigt, så reduceres aktuatoren tidligt for at give den mulighed for at nå det ønskede niveau; omvendt, hvis den målte værdi begynder at bevæge sig hurtigt væk fra setpunktet, gøres der en ekstra indsats – i forhold til denne hastighed – for at hjælpe med at flytte den tilbage.
På styresystemer, der involverer bevægelsesstyring af en tung genstand som f.eks. en pistol eller et kamera på et kørende køretøj, kan den afledte virkning af en velafstemt PID-regulator gøre det muligt for den at nå og fastholde et setpunkt bedre end de fleste dygtige menneskelige operatører. Hvis den afledte virkning anvendes for meget, kan den imidlertid føre til svingninger.
IntegralvirkningRediger
Integralbegrebet forstørrer virkningen af langtidsfejl i stationær tilstand og anvender en stadig stigende indsats, indtil fejlen er fjernet. I eksemplet med ovnen ovenfor, der arbejder ved forskellige temperaturer, hvis den varme, der tilføres, ikke bringer ovnen op til setpunktet, uanset årsagen, flytter den integrale virkning i stigende grad det proportionale bånd i forhold til setpunktet, indtil PV-fejlen er reduceret til nul, og setpunktet er nået.
Ramp op % pr. minutRediger
Nogle regulatorer omfatter mulighed for at begrænse “rampe op % pr. minut”. Denne indstilling kan være meget nyttig til stabilisering af små kedler (3 MBTUH), især om sommeren, under lette belastninger. En forsyningskedel “kan være forpligtet til at ændre belastning med en hastighed på op til 5 % pr. minut (IEA Coal Online – 2, 2007)”.
Andre teknikkerRediger
Det er muligt at filtrere PV- eller fejlsignalet. Ved at gøre dette kan man bidrage til at reducere ustabilitet eller svingninger ved at reducere systemets reaktion på uønskede frekvenser. Mange systemer har en resonansfrekvens. Ved at filtrere denne frekvens fra kan der anvendes en stærkere samlet feedback, før der opstår svingninger, hvilket gør systemet mere lydhørt uden at ryste sig selv fra hinanden.
Feedback-systemer kan kombineres. Ved kaskaderegulering anvender et reguleringskredsløb reguleringsalgoritmer på en målt variabel i forhold til et sætpunkt, men giver derefter et varierende sætpunkt til et andet reguleringskredsløb i stedet for at påvirke procesvariablerne direkte. Hvis et system har flere forskellige målte variabler, der skal reguleres, vil der være separate reguleringssystemer til stede for hver af dem.
Reguleringsteknik i mange applikationer producerer reguleringssystemer, der er mere komplekse end PID-regulering. Eksempler på sådanne områder applikationer fly-by-wire flystyringssystemer, kemiske anlæg og olieraffinaderier. Modelprædiktive kontrolsystemer er designet ved hjælp af specialiseret computerstøttet design-software og empiriske matematiske modeller af det system, der skal styres.