A lineáris szabályozórendszerek negatív visszacsatolást használnak egy szabályozójel előállítására, hogy a szabályozott PV-t a kívánt SP-n tartsák. A lineáris szabályozórendszereknek több típusa létezik különböző képességekkel.
ArányszabályozásSzerkesztés
, ahol ζ {\displaystyle \zeta }
a csillapítási arány és ω n {\displaystyle \omega _{n}}
a csillapítatlan sajátfrekvencia.
A arányos szabályozás a lineáris visszacsatolású szabályozási rendszerek olyan típusa, amelyben a szabályozott változóra a kívánt érték (SP) és a mért érték (PV) közötti különbséggel arányos korrekciót alkalmaznak. Két klasszikus mechanikai példa erre a WC-csészék úszójának arányosító szelepe és a légygolyós szabályzó.
A arányos szabályozórendszer bonyolultabb, mint a bekapcsoló-kioldó szabályozórendszer, de egyszerűbb, mint a például egy autó tempomatában használt arányos-integrál-deriváló (PID) szabályozórendszer. A kikapcsolt vezérlés olyan rendszereknél működik, amelyek nem igényelnek nagy pontosságot vagy érzékenységet, de nem hatékony a gyors és időszerű korrekciók és válaszok esetén. Az arányos szabályozás ezt úgy hidalja át, hogy a manipulált változót (MV), például egy vezérlőszelepet, olyan erősítési szinten modulálja, amely elkerüli az instabilitást, de a korrekciót a lehető leggyorsabban alkalmazza az optimális mennyiségű arányos korrekció alkalmazásával.
Az arányos szabályozás hátránya, hogy nem tudja kiküszöbölni a maradék SP-PV hibát, mivel az arányos kimenet létrehozásához hiba szükséges. Ennek kiküszöbölésére PI-szabályozót lehet használni. A PI szabályozó egy arányos kifejezést (P) használ a bruttó hiba eltávolítására, és egy integrál kifejezést (I) a maradék eltolási hiba kiküszöbölésére a hiba időbeli integrálásával.
Egyes rendszerekben az MV tartományának gyakorlati korlátai vannak. Például egy fűtőberendezésnek van egy határa, hogy mennyi hőt tud termelni, és egy szelep csak addig tud nyitni. Az erősítés beállítása egyidejűleg megváltoztatja a hibaértékek azon tartományát, amelyben az MV e határok között van. Ennek a tartománynak a szélességét, a hibaváltozó és így a PV mértékegységében kifejezve, arányos sávnak (PB) nevezzük.
KemencepéldaSzerkesztés
Egy ipari kemence hőmérsékletének szabályozásakor általában jobb, ha a tüzelőanyag-szelep nyitását a kemence aktuális igényeivel arányosan szabályozzuk. Ez segít elkerülni a hősokkokat, és hatékonyabban alkalmazza a hőt.
A kis nyereségeknél csak egy kis korrekciót alkalmazunk, ha hibát észlelünk. A rendszer biztonságos és stabil lehet, de lassan reagálhat a változó körülményekre. A hibák viszonylag hosszú ideig maradnak korrekció nélkül, és a rendszer túllendül. Ha az arányos erősítést növeljük, az ilyen rendszerek érzékenyebbé válnak, és a hibákat gyorsabban kezelik. Az erősítés beállításának van egy optimális értéke, amikor a teljes rendszer kritikusan csillapítottnak mondható. A hurokerősítés ezen a ponton túli növelése a PV rezgéséhez vezet, és az ilyen rendszer alulcsillapított. Az erősítés beállítását a kritikusan csillapított viselkedés elérése érdekében a szabályozórendszer hangolásának nevezzük.
Az alulcsillapított esetben a kemence gyorsan felmelegszik. A beállított érték elérése után a fűtő alrendszerben és a kemence falaiban tárolt hő a mért hőmérsékletet a szükségesnél tovább növeli. A beállítási pont fölé emelkedés után a hőmérséklet visszaesik, és végül ismét hőbevitelre kerül sor. A fűtő alrendszer újrafűtésének bármilyen késedelme lehetővé teszi, hogy a kemence hőmérséklete tovább csökkenjen a beállított érték alá, és a ciklus ismétlődik. A hőmérséklet-ingadozások, amelyeket egy alulcsillapított kemence-szabályozó rendszer produkál, nemkívánatosak.
Egy kritikusan csillapított rendszerben, ahogy a hőmérséklet közeledik a beállított értékhez, a hőbevitel csökkenni kezd, a kemence fűtési sebességének van ideje lelassulni, és a rendszer elkerüli a túlhajtást. A túllendülés egy túlcsillapított rendszerben is elkerülhető, de egy túlcsillapított rendszer kezdetben szükségtelenül lassan éri el a beállítási pontot, hogy reagáljon a rendszer külső változásaira, pl. a kemence ajtajának kinyitására.
PID szabályozásSzerkesztés
A tisztán arányos szabályozóknak a rendszerben maradó hibával kell működniük. Bár a PI-szabályozók kiküszöbölik ezt a hibát, mégis lomhák lehetnek, vagy rezgéseket produkálhatnak. A PID-vezérlő ezeket az utolsó hiányosságokat egy derivált (D) művelet bevezetésével kezeli, hogy megőrizze a stabilitást, miközben javul a reakciókészség.
Derivált műveletSzerkesztés
A derivált a hiba időbeli változásának mértékével foglalkozik: Ha a mért változó gyorsan közelít a beállított értékhez, akkor az aktuátor korán visszavesz, hogy lehetővé tegye a kívánt szintre való lebegést; fordítva, ha a mért érték gyorsan kezd eltávolodni a beállított értéktől, akkor a gyorsasággal arányosan extra erőfeszítést alkalmazunk, hogy segítsük a visszavezetést.
A nehéz tárgy, például egy fegyver vagy egy kamera mozgó járművön történő mozgásvezérlésével járó vezérlőrendszerekben egy jól hangolt PID-szabályozó derivált hatása lehetővé teheti, hogy a legtöbb képzett emberi kezelőnél jobban elérje és megtartsa a beállított értéket. Ha azonban a derivált hatást túlzásba visszük, az oszcillációhoz vezethet.
IntegrálhatásSzerkesztés
Az integrál kifejezés felnagyítja a hosszú távú állandósult állapotú hibák hatását, egyre növekvő erőfeszítést alkalmazva, amíg a hiba el nem tűnik. A fenti, különböző hőmérsékleten működő kemencére vonatkozó példában, ha az alkalmazott hőmennyiség bármilyen okból nem hozza fel a kemencét a beállított értékre, az integrálhatás egyre inkább elmozdítja az arányos sávot a beállított értékhez képest, amíg a PV hiba nullára nem csökken és a beállított értéket el nem éri.
Ramp up % per percSzerkesztés
Egyes szabályozók tartalmazzák a “ramp up % per perc” korlátozásának lehetőségét. Ez az opció nagyon hasznos lehet a kis kazánok (3 MBTUH) stabilizálásában, különösen nyáron, kis terhelés esetén. Egy közüzemi kazán “egy egységnek akár percenként 5%-os terhelésváltoztatásra is szükség lehet (IEA Coal Online – 2, 2007).”
Egyéb technikákSzerkesztés
A PV- vagy hibajel szűrésére is van lehetőség. Ez segíthet az instabilitás vagy a rezgések csökkentésében azáltal, hogy csökkenti a rendszer nemkívánatos frekvenciákra adott válaszát. Sok rendszernek van rezonanciafrekvenciája. Ennek a frekvenciának a kiszűrésével erősebb általános visszacsatolást lehet alkalmazni, mielőtt a rezgés fellépne, így a rendszer érzékenyebbé válik anélkül, hogy szétrázná magát.
A visszacsatolási rendszerek kombinálhatók. A kaszkádvezérlésben az egyik szabályozási hurok szabályozási algoritmusokat alkalmaz egy mért változóra egy beállított értékkel szemben, de ezután változó beállított értéket ad egy másik szabályozási huroknak ahelyett, hogy közvetlenül befolyásolná a folyamatváltozókat. Ha egy rendszerben több különböző szabályozandó mért változó van, mindegyikhez külön szabályozórendszerek tartoznak.
A szabályozástechnika számos alkalmazásban a PID-szabályozásnál bonyolultabb szabályozórendszereket eredményez. Ilyen alkalmazási területek példái a fly-by-wire repülőgépek vezérlőrendszerei, a vegyi üzemek és az olajfinomítók. A modell-előrejelző szabályozási rendszereket speciális számítógépes tervezőszoftverek és a szabályozandó rendszer empirikus matematikai modelljei segítségével tervezik.