Linjära styrsystem använder negativ återkoppling för att producera en styrsignal för att hålla den styrda PV på önskad SP. Det finns flera typer av linjära styrsystem med olika kapacitet.
Proportionell styrningRedigera
, där ζ {\displaystyle \zeta }
är dämpningskvoten och ω n {\displaystyle \omega _{n}}
är den odämpade egenfrekvensen.
Proportionell reglering är en typ av linjärt återkopplat reglersystem där en korrigering tillämpas på den reglerade variabeln som är proportionell mot skillnaden mellan önskat värde (SP) och det uppmätta värdet (PV). Två klassiska mekaniska exempel är proportioneringsventilen för toalettskålens flottör och regulatorn med fly-ball.
Det proportionella styrsystemet är mer komplext än ett on-off-styrsystem, men enklare än ett PID-styrsystem (proportional-integral-derivativ) som till exempel används i en farthållare i en bil. On-off-reglering fungerar för system som inte kräver hög noggrannhet eller reaktionsförmåga, men är inte effektiv för snabba och lägliga korrigeringar och reaktioner. Proportionalreglering övervinner detta genom att modulera den manipulerade variabeln (MV), t.ex. en reglerventil, på en förstärkningsnivå som undviker instabilitet, men tillämpar korrigering så snabbt som möjligt genom att tillämpa den optimala mängden proportionell korrigering.
En nackdel med proportionell reglering är att den inte kan eliminera det kvarvarande SP-PV-felet, eftersom det krävs ett fel för att generera en proportionell utgång. En PI-regulator kan användas för att övervinna detta. PI-regulatorn använder en proportionell term (P) för att avlägsna bruttofelet och en integralterm (I) för att avlägsna det kvarvarande förskjutningsfelet genom att integrera felet över tiden.
I vissa system finns det praktiska gränser för MV:s intervall. Till exempel har en värmare en gräns för hur mycket värme den kan producera och en ventil kan bara öppnas så långt som möjligt. Justeringar av förstärkningen ändrar samtidigt det intervall av felvärden över vilket MV ligger mellan dessa gränser. Bredden på detta område, i enheter av felvariabeln och därmed av PV, kallas för det proportionella bandet (PB).
Exempel på ugnEdit
När man reglerar temperaturen i en industriell ugn är det vanligen bättre att styra bränslespjällets öppning i proportion till ugnens aktuella behov. På så sätt undviker man termiska chocker och applicerar värmen mer effektivt.
Vid låga förstärkningar tillämpas endast en liten korrigerande åtgärd när fel upptäcks. Systemet kan vara säkert och stabilt, men kan reagera trögt på förändrade förhållanden. Fel förblir okorrigerade under relativt långa perioder och systemet är överdämpat. Om proportionalförstärkningen ökas blir sådana system mer responsiva och fel åtgärdas snabbare. Det finns ett optimalt värde för förstärkningsinställningen när det totala systemet sägs vara kritiskt dämpat. Ökningar av kretsförstärkningen bortom denna punkt leder till svängningar i PV:n och ett sådant system är underdämpat. Justering av förstärkningen för att uppnå ett kritiskt dämpat beteende kallas för inställning av styrsystemet.
I det underdämpade fallet värms ugnen upp snabbt. När väl börvärdet har uppnåtts kommer den lagrade värmen i värmaren och i ugnens väggar att hålla den uppmätta temperaturen högre än vad som krävs. Efter att ha stigit över börvärdet sjunker temperaturen tillbaka och så småningom tillförs värme igen. Varje fördröjning i uppvärmningsundersystemet gör att temperaturen i ugnen sjunker ytterligare under börvärdet och cykeln upprepas. De temperatursvängningar som ett underdämpat styrsystem för ugnen ger upphov till är oönskade.
I ett kritiskt dämpat system börjar värmetillförseln minskas när temperaturen närmar sig börvärdet, uppvärmningshastigheten i ugnen hinner avta och systemet undviker övertändning. Överskridande undviks också i ett överdämpat system, men ett överdämpat system är onödigt långsamt att initialt nå börvärdet och reagerar på externa förändringar i systemet, t.ex. genom att öppna ugnsdörren.
PID-regleringRedigera
Rena proportionella regulatorer måste fungera med restfel i systemet. Även om PI-regulatorer eliminerar detta fel kan de fortfarande vara tröga eller producera svängningar. PID-regulatorn åtgärdar dessa sista brister genom att införa en derivatåtgärd (D) för att bibehålla stabiliteten samtidigt som reaktionsförmågan förbättras.
DerivatåtgärdRedigera
Derivatåtgärden handlar om felets förändringshastighet med tiden: Om den uppmätta variabeln snabbt närmar sig börvärdet, backas ställdonet tidigt för att tillåta det att gå i lugn och ro till den erforderliga nivån; omvänt, om det uppmätta värdet börjar röra sig snabbt bort från börvärdet, läggs extra kraft på det – i proportion till denna hastighet – för att hjälpa till att flytta tillbaka det.
På reglersystem som involverar rörelsestyrning av ett tungt föremål, t.ex. en pistol eller en kamera på ett rörligt fordon, kan den derivativa åtgärden hos en väl avstämd PID-regulator göra det möjligt för den att nå och bibehålla ett börvärde bättre än de flesta skickliga mänskliga operatörer. Om den derivativa åtgärden tillämpas för mycket kan den dock leda till svängningar.
IntegralåtgärdRedigera
Integralbegreppet förstorar effekten av långvariga stationära fel, och tillämpar en ständigt ökande ansträngning tills felet är borttaget. I exemplet med ugnen ovan som arbetar vid olika temperaturer, om värmen som tillförs inte för ugnen upp till börvärdet, oavsett anledning, flyttar den integrala åtgärden alltmer det proportionella bandet i förhållande till börvärdet tills PV-felet reduceras till noll och börvärdet uppnås.
Ramp up % per minutRedigera
En del regulatorer inkluderar möjligheten att begränsa ”ramp up % per minut”. Detta alternativ kan vara till stor hjälp för att stabilisera små pannor (3 MBTUH), särskilt under sommaren, vid lätt belastning. En panna ”kan behöva ändra belastning med så mycket som 5 % per minut (IEA Coal Online – 2, 2007)”.
Andra teknikerRedigera
Det är möjligt att filtrera PV- eller felsignalen. Genom att göra detta kan man bidra till att minska instabilitet eller svängningar genom att minska systemets respons på oönskade frekvenser. Många system har en resonansfrekvens. Genom att filtrera bort den frekvensen kan starkare övergripande återkoppling tillämpas innan oscillation uppstår, vilket gör systemet mer responsivt utan att skaka sönder sig självt.
Feedback-system kan kombineras. Vid kaskadreglering tillämpar en regleringsslinga regleralgoritmer på en uppmätt variabel mot ett börvärde, men ger sedan ett varierande börvärde till en annan regleringsslinga i stället för att påverka processvariablerna direkt. Om ett system har flera olika uppmätta variabler som ska styras kommer separata styrsystem att finnas för var och en av dem.
Kontrollteknik i många tillämpningar ger styrsystem som är mer komplexa än PID-styrning. Exempel på sådana områden tillämpningar fly-by-wire flygplansstyrsystem, kemiska anläggningar och oljeraffinaderier. Modellprediktiva styrsystem utformas med hjälp av specialiserad programvara för datorstödd utformning och empiriska matematiska modeller av det system som ska styras.