Система контроля - Control system

В центробежный регулятор это ранний пропорциональное управление механизм.

А система контроля управляет, командует, направляет или регулирует поведение других устройств или систем, использующих контуры управления. Он может варьироваться от одного контроллера отопления дома с использованием термостат управление бытовым котлом на большой Системы промышленного контроля которые используются для управления процессы или машины.

Для непрерывно модулируемого управления контроллер обратной связи используется для автоматического управления процессом или операцией. Система управления сравнивает значение или статус переменная процесса (PV) регулируется желаемым значением или уставка (SP), и применяет разницу в качестве управляющего сигнала для приведения выходной переменной процесса установки к тому же значению, что и заданное значение.

За последовательный и комбинационная логика, программная логика, например, в Программируемый логический контроллер, используется.

Управление без обратной связи и с обратной связью

Есть два общих класса управляющего воздействия: разомкнутый и замкнутый. В системе управления без обратной связи управляющее воздействие контроллера не зависит от переменной процесса. Примером может служить котел центрального отопления, управляемый только таймером. Управляющим действием является включение или выключение котла. Переменной процесса является температура здания. Этот контроллер управляет системой отопления в течение постоянного времени независимо от температуры в здании.

В системе управления с обратной связью управляющее действие контроллера зависит от желаемой и фактической переменной процесса. В случае аналогии с котлом, здесь будет использоваться термостат для контроля температуры в здании и обратный сигнал, чтобы гарантировать, что выход контроллера поддерживает температуру здания, близкую к той, которая установлена на термостате. Контроллер с обратной связью имеет контур обратной связи, который гарантирует, что контроллер выполняет управляющее действие для управления переменной процесса на том же значении, что и заданное значение. По этой причине контроллеры с обратной связью также называют контроллерами с обратной связью.^[1]

Системы управления с обратной связью

Пример единого промышленного контура управления; показывая непрерывно модулируемое управление технологическим потоком.

Базовый цикл обратной связи

В случае линейного Обратная связь системы, а контур управления включая датчики, алгоритмы управления и исполнительные механизмы расположены в попытке регулировать переменную на уставка (SP). Повседневный пример - это круиз-контроль на дорожном транспортном средстве; где внешние воздействия, такие как холмы, могут вызвать изменение скорости, и у водителя есть возможность изменить желаемую заданную скорость. В Алгоритм PID в контроллере восстанавливает реальную скорость до желаемой оптимальным образом, с минимальной задержкой или превышение, контролируя выходную мощность двигателя транспортного средства.

Системы управления, которые включают некоторое ощущение результатов, которых они пытаются достичь, используют обратную связь и могут в некоторой степени адаптироваться к различным обстоятельствам. Системы управления без обратной связи не использовать обратную связь и запускать только заранее оговоренными способами.

Логическое управление

Системы логического управления для промышленного и коммерческого оборудования исторически реализовывались посредством взаимосвязанных электрических реле и кулачковые таймеры с помощью лестничная логика. Сегодня большинство таких систем построено с микроконтроллеры или более специализированный программируемые логические контроллеры (ПЛК). Обозначение релейной логики все еще используется в качестве метода программирования для ПЛК.^[2]

Логические контроллеры могут реагировать на переключатели и датчики и могут вызывать запуск и остановку оборудования при различных операциях с помощью приводы. Логические контроллеры используются для упорядочивания механических операций во многих приложениях. Примеры включают лифты, стиральные машины и другие системы с взаимосвязанными операциями. Система автоматического последовательного управления может запускать серию механических приводов в правильной последовательности для выполнения задачи. Например, различные электрические и пневматические преобразователи могут складывать и склеивать картонную коробку, заполнять ее продуктом, а затем запечатывать в автоматической упаковочной машине.

Программное обеспечение ПЛК может быть написано разными способами - лестничными диаграммами, SFC (последовательные функциональные диаграммы ) или же списки выписок.^[3]

Включение – выключение

В двухпозиционном управлении используется контроллер с обратной связью, который резко переключается между двумя состояниями. Простой биметаллический дом термостат можно описать как двухпозиционный контроллер. Когда температура в помещении (PV) опускается ниже заданного пользователем (SP), обогреватель включается. Другой пример - реле давления на воздушном компрессоре. Когда давление (PV) падает ниже уставки (SP), компрессор включается. Холодильники и вакуумные насосы содержат аналогичные механизмы. Подобные простые двухпозиционные системы управления могут быть дешевыми и эффективными.

Линейное управление

Использование линейных систем управления негативный отзыв для выработки управляющего сигнала для поддержания регулируемого PV на желаемом SP. Существует несколько типов линейных систем управления с разными возможностями.

Пропорциональный контроль

Переходные характеристики для системы второго порядка, определяемой функция передачи

{ displaystyle H (s) = { frac { omega _ {n} ^ {2}} {s ^ {2} +2 zeta omega _ {n} s + omega _ {n} ^ {2} }}}

, куда

{ displaystyle zeta}

- коэффициент демпфирования и

{ displaystyle omega _ {n}}

это незатухающий собственная частота.

Пропорциональное управление - это тип системы управления с линейной обратной связью, в которой к регулируемой переменной применяется поправка, которая пропорциональна разнице между желаемым значением (SP) и измеренным значением (PV). Два классических механических примера - унитаз. поплавковый дозирующий клапан и губернатор.

Пропорциональная система управления сложнее двухпозиционной системы управления, но проще, чем пропорционально-интегральная производная (PID) система управления, используемая, например, в автомобиле круиз-контроль. Двухпозиционное управление будет работать для систем, которые не требуют высокой точности или скорости реакции, но неэффективны для быстрых и своевременных исправлений и ответов. Пропорциональное управление преодолевает это за счет модуляции регулируемой переменной (MV), такой как регулирующий вентиль, с таким уровнем усиления, который позволяет избежать нестабильности, но применяет коррекцию настолько быстро, насколько это практически возможно, применяя оптимальное количество пропорциональной коррекции.

Недостатком пропорционального управления является то, что оно не может устранить остаточную ошибку SP – PV, так как для генерации пропорционального выхода требуется ошибка. А ПИ-регулятор можно использовать для преодоления этого. ПИ-регулятор использует пропорциональный член (P), чтобы удалить грубую ошибку, и интегральный член (I), чтобы устранить остаточную ошибку смещения, интегрируя ошибку во времени.

В некоторых системах существуют практические ограничения диапазона MV. Например, обогреватель имеет ограничение на количество тепла, которое он может производить, а клапан может открываться только на определенное время. Регулировки усиления одновременно изменяют диапазон значений ошибки, в котором MV находится между этими пределами. Ширина этого диапазона в единицах переменной ошибки и, следовательно, PV, называется полоса пропорциональности (ПБ).

Пример печи

При контроле температуры промышленная печь, обычно лучше контролировать открытие топливного клапана пропорционально текущие потребности печи. Это помогает избежать тепловых ударов и более эффективно передает тепло.

При низком коэффициенте усиления при обнаружении ошибок применяется лишь небольшое корректирующее действие. Система может быть безопасной и стабильной, но может работать медленно при изменении условий. Ошибки будут оставаться неисправленными в течение относительно длительного периода времени, и система не будет исправлена. чрезмерно демпфированный. Если пропорциональное усиление увеличивается, такие системы становятся более отзывчивыми, и ошибки устраняются быстрее. Существует оптимальное значение для настройки усиления, когда система в целом критически затухающий. Увеличение коэффициента усиления контура за пределами этой точки приводит к колебаниям в PV, и такая система недостаточно демпфированный. Регулировка усиления для достижения критически демпфированного поведения известна как настройка система управления.

В случае с недостаточным демпфированием печь быстро нагревается. Как только заданное значение достигнуто, накопленное тепло в подсистеме нагревателя и в стенках печи будет поддерживать повышение измеренной температуры сверх требуемого. После повышения температуры выше заданного значения температура падает, и, в конце концов, снова подается тепло. Любая задержка повторного нагрева подсистемы нагревателя позволяет температуре печи упасть ниже заданного значения, и цикл повторяется. Колебания температуры, которые производит система управления печью с недостаточным демпфированием, нежелательны.

В системе с критическим демпфированием, когда температура приближается к заданному значению, подвод тепла начинает снижаться, скорость нагрева печи успевает замедлиться, и система избегает перерегулирования. Перерегулирования также избегают в системе с избыточным демпфированием, но система с избыточным демпфированием излишне медленно достигает начального значения уставки, реагируя на внешние изменения в системе, например открывание дверцы топки.

ПИД-регулирование

А блок-схема ПИД-регулятора

Влияние различных параметров ПИД-регулятора (K_п, К_я, К_d) на скачкообразную реакцию системы.

Чистые пропорциональные регуляторы должны работать с остаточной ошибкой в системе. Хотя ПИ-регуляторы устраняют эту ошибку, они все еще могут работать медленно или генерировать колебания. ПИД-регулятор устраняет эти последние недостатки, вводя производная (D) действие для сохранения стабильности при улучшении отзывчивости.

Производное действие

Производная связана со скоростью изменения ошибки во времени: если измеряемая переменная быстро приближается к заданному значению, то привод отключается раньше, чтобы позволить ему двигаться по инерции до требуемого уровня; И наоборот, если измеренное значение начинает быстро отклоняться от заданного значения, прилагаются дополнительные усилия - пропорционально этой скорости, чтобы помочь вернуть его обратно.

В системах управления, включающих управление движением тяжелого предмета, такого как пистолет или камера на движущемся транспортном средстве, производное действие хорошо настроенного ПИД-регулятора может позволить ему достигать и поддерживать заданное значение лучше, чем у большинства опытных операторов. Однако, если производное действие чрезмерно приложено, это может привести к колебаниям.

Интегральное действие

Изменение реакции системы второго порядка на ступенчатый вход при изменении значений Ki.

Интегральный член увеличивает эффект долговременных установившихся ошибок, прилагая все возрастающие усилия, пока ошибка не будет устранена. В приведенном выше примере печи, работающей при различных температурах, если прикладываемое тепло не доводит печь до заданного значения по какой-либо причине, интеграл действие все больше движется диапазон пропорциональности относительно уставки до тех пор, пока ошибка PV не уменьшится до нуля и не будет достигнута уставка.

Увеличение% в минуту

Некоторые контроллеры включают возможность ограничения «% нарастания в минуту». Эта опция может быть очень полезной при стабилизации небольших котлов (3 MBTUH), особенно летом, при малых нагрузках. «Блок коммунального котла может потребоваться для изменения нагрузки со скоростью до 5% в минуту (IEA Coal Online - 2, 2007)».^[4]^{[неудачная проверка ]}

Другие техники

Возможно фильтр PV или сигнал ошибки. Это может помочь уменьшить нестабильность или колебания за счет уменьшения реакции системы на нежелательные частоты. Многие системы имеют резонансная частота. Путем фильтрации этой частоты можно применить более сильную общую обратную связь до того, как возникнут колебания, что сделает систему более отзывчивой, не раскачиваясь.

Системы обратной связи можно комбинировать. В каскадное управление один контур управления применяет алгоритмы управления к измеряемой переменной относительно заданного значения, но затем предоставляет изменяющееся заданное значение для другого контура управления, а не влияет напрямую на переменные процесса. Если в системе есть несколько различных измеряемых переменных, которые необходимо контролировать, для каждой из них будут использоваться отдельные системы управления.

Техника управления во многих приложениях производит системы управления, более сложные, чем ПИД-регулирование. Примеры применения таких полей по проводам системы управления самолетами, химическими заводами и нефтеперерабатывающими заводами. Прогностический контроль модели системы разработаны с использованием специализированных системы автоматизированного проектирования программные и эмпирические математические модели контролируемой системы.

Нечеткая логика

Нечеткая логика представляет собой попытку применить простую конструкцию логических контроллеров к управлению сложными непрерывно изменяющимися системами. В принципе, измерение в системе с нечеткой логикой может быть частично верным.

Правила системы написаны на естественном языке и переведены в нечеткую логику. Например, конструкция печи должна начинаться со слов: «Если температура слишком высока, уменьшите количество топлива в печи. Если температура слишком низкая, увеличьте количество топлива в печи».

Измерения из реального мира (например, температура печи) размытый а логика вычисляется арифметически, в отличие от Логическая логика, а выходы дефузифицированный для управления оборудованием.

Когда надежный нечеткий план сводится к одному быстрому вычислению, он начинает напоминать обычное решение с обратной связью, и может показаться, что в нечетком дизайне нет необходимости. Однако парадигма нечеткой логики может обеспечить масштабируемость для больших систем управления, где традиционные методы становятся громоздкими или дорогостоящими в разработке.

Нечеткая электроника - это электронная технология, в которой используется нечеткая логика вместо двухзначной логики, обычно используемой в цифровая электроника.

Физическая реализация

Диспетчерская DCS, где информация об установке и средства управления отображаются на экранах компьютерной графики. Операторы сидят, так как они могут просматривать и контролировать любую часть процесса со своих экранов, сохраняя при этом обзор установки.

Панель управления гидравлического термопресса со специальным программным обеспечением для этой функции

Диапазон реализации от компактные контроллеры часто со специальным программным обеспечением для конкретной машины или устройства, чтобы распределенные системы управления для управления производственными процессами.

Логические системы и контроллеры обратной связи обычно реализуются с программируемые логические контроллеры.

Смотрите также

внешняя ссылка

SystemControl Создавайте, моделируйте или HWIL контуры управления с помощью Python. Включает фильтр Калмана, контроль LQG среди прочего.
Полуавтономное управление полетом - Справочник unmannedaircraft.org
Панель инструментов системы управления для проектирования и анализа систем управления.
Производитель систем управления Проектирование и производство систем управления.
Функции Mathematica для анализа, проектирования и моделирования систем управления
Система управления Python (PyConSys) Создавайте и моделируйте контуры управления с помощью Python. AI для настройки параметров PID.

[1] «Системы обратной связи и управления» - Дж. Дж. Ди Стеффано, А. Р. Стубберуд, И. Дж. Вильямс. Серия набросков Шаумса, Макгроу-Хилл 1967

[Kuphaldt_LADDER_LOGIC-2] Купхальдт, Тони Р. "Глава 6 ЛЕСТНИЧНАЯ ЛОГИКА". Уроки электрических цепей - Том IV. В архиве из оригинала 12 сентября 2010 г.. Получено 22 сентября 2010.

[Ian_Brady_PLCs-3] Брэди, Ян. «Программируемые логические контроллеры - преимущества и применение» (PDF). ПЛК. В архиве (PDF) из оригинала 2 февраля 2014 г.. Получено 5 декабря 2011.

[4] «Энергоэффективное проектирование вспомогательных систем на электростанциях, работающих на ископаемом топливе» (PDF). ABB. п. 262. В архиве (PDF) из оригинала на 2014-08-05. Получено 2014-04-07. | раздел = игнорируется (помощь)

[1]

[2]

[3]

[4]