Liniowe układy sterowania wykorzystują ujemne sprzężenie zwrotne do wytworzenia sygnału sterującego w celu utrzymania kontrolowanego PV na żądanym SP. Istnieje kilka typów układów sterowania liniowego o różnych możliwościach.
Sterowanie proporcjonalneEdit
, gdzie ζ {{displaystyle \zeta }
jest współczynnikiem tłumienia, a ω n {{displaystyle \omega _{n}}
jest nietłumioną częstotliwością drgań własnych.
Sterowanie proporcjonalne jest rodzajem układu sterowania z liniowym sprzężeniem zwrotnym, w którym do zmiennej sterowanej stosowana jest poprawka, która jest proporcjonalna do różnicy między wartością pożądaną (SP) a wartością zmierzoną (PV). Dwa klasyczne przykłady mechaniczne to zawór proporcjonalny pływaka muszli klozetowej i regulator kulowy.
Proporcjonalny system kontroli jest bardziej złożony niż system kontroli on-off, ale prostszy niż proporcjonalno-całkująco-pochodna (PID) system kontroli używany, na przykład, w samochodowym tempomacie. Sterowanie on-off sprawdzi się w systemach, które nie wymagają dużej dokładności lub szybkości reakcji, ale nie jest skuteczne w przypadku szybkich i terminowych korekt i reakcji. Sterowanie proporcjonalne pokonuje to przez modulację zmiennej manipulowanej (MV), takiej jak zawór regulacyjny, na poziomie wzmocnienia, który pozwala uniknąć niestabilności, ale stosuje korektę tak szybko, jak to możliwe przez zastosowanie optymalnej ilości korekty proporcjonalnej.
Wadą sterowania proporcjonalnego jest to, że nie może wyeliminować błędu resztkowego SP-PV, ponieważ wymaga błędu do generowania wyjścia proporcjonalnego. Aby to przezwyciężyć, można użyć regulatora PI. Regulator PI wykorzystuje człon proporcjonalny (P) do usunięcia błędu brutto oraz człon całkujący (I) do wyeliminowania szczątkowego błędu przesunięcia poprzez całkowanie błędu w czasie.
W niektórych systemach istnieją praktyczne ograniczenia zakresu MV. Na przykład, grzejnik ma ograniczenie co do ilości ciepła, które może wytworzyć, a zawór może otworzyć się tylko do tego stopnia. Regulacja wzmocnienia zmienia jednocześnie zakres wartości błędów, w którym SN znajduje się pomiędzy tymi ograniczeniami. Szerokość tego zakresu, w jednostkach zmiennej błędu, a więc i PV, nazywana jest pasmem proporcjonalnym (PB).
Przykład piecaEdit
Przy sterowaniu temperaturą pieca przemysłowego zwykle lepiej jest sterować otwarciem zaworu paliwowego proporcjonalnie do bieżących potrzeb pieca. Pomaga to uniknąć szoków termicznych i skuteczniej aplikuje ciepło.
Przy niskich zyskach, tylko niewielka akcja korygująca jest stosowana, gdy wykryte są błędy. System może być bezpieczny i stabilny, ale może być powolny w odpowiedzi na zmieniające się warunki. Błędy pozostają nieskorygowane przez stosunkowo długi okres czasu, a system jest nadmiernie tłumiony. Jeśli wzmocnienie proporcjonalne jest zwiększone, takie systemy stają się bardziej responsywne, a błędy są usuwane szybciej. Istnieje optymalna wartość ustawienia wzmocnienia, gdy cały system jest krytycznie tłumiony. Zwiększenie wzmocnienia pętli poza ten punkt prowadzi do oscylacji w PV, a taki system jest niedotłumiony. Regulacja wzmocnienia w celu osiągnięcia krytycznie stłumionego zachowania jest znana jako strojenie układu sterowania.
W przypadku niedostatecznie stłumionym, piec nagrzewa się szybko. Gdy wartość zadana zostanie osiągnięta, zmagazynowane ciepło w podsystemie grzałki i w ścianach pieca utrzyma mierzoną temperaturę rosnącą ponad to, co jest wymagane. Po przekroczeniu wartości zadanej, temperatura spada i w końcu ponownie jest dostarczane ciepło. Każde opóźnienie w ponownym nagrzaniu podsystemu grzałki pozwala na dalszy spadek temperatury pieca poniżej wartości zadanej i cykl się powtarza. Oscylacje temperatury, które wytwarza niedotłumiony system sterowania piecem, są niepożądane.
W krytycznie wytłumionym systemie, gdy temperatura zbliża się do wartości zadanej, dopływ ciepła zaczyna być zmniejszany, tempo ogrzewania pieca ma czas na spowolnienie, a system unika przerostu. Overshoot jest również unikany w nadmiernie stłumionym systemie, ale nadmiernie stłumiony system jest niepotrzebnie powolny, aby początkowo osiągnąć wartość zadaną w odpowiedzi na zewnętrzne zmiany w systemie, np. otwarcie drzwi pieca.
Regulator PIDEdit
Czyste regulatory proporcjonalne muszą działać z błędem resztkowym w układzie. Chociaż regulatory PI eliminują ten błąd, mogą nadal być powolne lub wytwarzać oscylacje. Regulator PID zajmuje się tymi ostatnimi wadami, wprowadzając działanie pochodnej (D), aby zachować stabilność, podczas gdy reaktywność jest poprawiona.
Działanie pochodnejEdit
Pochodna dotyczy szybkości zmiany błędu w czasie: Jeśli mierzona zmienna szybko zbliża się do wartości zadanej, wówczas siłownik jest wycofywany wcześniej, aby umożliwić mu dotarcie do wymaganego poziomu; odwrotnie, jeśli mierzona wartość zaczyna szybko oddalać się od wartości zadanej, stosowany jest dodatkowy wysiłek – proporcjonalnie do tej szybkości – aby pomóc w jej cofnięciu.
W systemach sterowania obejmujących sterowanie ruchem ciężkiego przedmiotu, takiego jak broń lub kamera w poruszającym się pojeździe, działanie pochodnej dobrze dostrojonego regulatora PID może pozwolić mu na osiągnięcie i utrzymanie wartości zadanej lepiej niż większość wykwalifikowanych operatorów ludzkich. Jeśli działanie pochodnej jest nadmiernie stosowane, może jednak prowadzić do oscylacji.
Działanie całkująceEdit
Termin całkujący powiększa efekt długoterminowych błędów stanu ustalonego, stosując coraz większy wysiłek, dopóki błąd nie zostanie usunięty. W powyższym przykładzie pieca pracującego w różnych temperaturach, jeśli stosowane ciepło nie doprowadzi pieca do wartości zadanej, z jakiegokolwiek powodu, działanie całkujące coraz bardziej przesuwa pasmo proporcjonalne względem wartości zadanej, aż błąd PV zostanie zredukowany do zera i wartość zadana zostanie osiągnięta.
Rampa % na minutęEdit
Niektóre regulatory zawierają opcję ograniczenia „rampy % na minutę”. Opcja ta może być bardzo pomocna w stabilizacji małych kotłów (3 MBTUH), szczególnie w okresie letnim, podczas lekkich obciążeń. Kocioł użytkowy „może być wymagany do zmiany obciążenia w tempie aż 5% na minutę (IEA Coal Online – 2, 2007)”.
Inne technikiEdit
Możliwe jest filtrowanie sygnału PV lub błędu. Może to pomóc w zmniejszeniu niestabilności lub oscylacji poprzez zmniejszenie odpowiedzi systemu na niepożądane częstotliwości. Wiele systemów ma częstotliwość rezonansową. Poprzez odfiltrowanie tej częstotliwości, silniejsze ogólne sprzężenie zwrotne może być zastosowane przed wystąpieniem oscylacji, czyniąc system bardziej responsywnym bez roztrząsania się.
Systemy sprzężenia zwrotnego mogą być łączone. W sterowaniu kaskadowym, jedna pętla sterowania stosuje algorytmy sterowania do mierzonej zmiennej względem wartości zadanej, ale następnie dostarcza zmienną wartość zadaną do innej pętli sterowania, zamiast wpływać bezpośrednio na zmienne procesowe. Jeśli system ma kilka różnych zmiennych mierzonych, które mają być kontrolowane, oddzielne systemy sterowania będą obecne dla każdego z nich.
Inżynieria sterowania w wielu zastosowaniach produkuje systemy sterowania, które są bardziej złożone niż sterowanie PID. Przykładami takich dziedzin są systemy kontroli samolotów fly-by-wire, zakłady chemiczne i rafinerie ropy naftowej. Systemy sterowania predykcyjnego modelowego są projektowane przy użyciu specjalistycznego oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo oraz empirycznych modeli matematycznych systemu, który ma być sterowany.
.