Układ sterowania - Control system


Z Wikipedii, wolnej encyklopedii

System sterowania zarządza, poleceń, kieruje lub reguluje zachowanie innych urządzeń lub systemów wykorzystujących pętle sterowania . Może on wynosić od jednego sterownika ogrzewania domu przy użyciu termostat kontrolujący krajową kotła do dużych przemysłowych systemów sterowania , które są wykorzystywane do kontrolowania procesów i maszyn.

Ciągłego modulowanego kontrolę, regulator sprzężenia zwrotnego jest wykorzystywany do automatycznego sterowania procesem lub operacji. Układ sterowania porównuje wartość lub stan wielkości procesowej (PV) jest sterowany z pożądaną wartość lub wartości zadanej (SP), i stosuje się różnicę jako sygnał sterujący w celu doprowadzenia regulowaną wydajnością procesu rośliny na taką samą wartość jak zadana.

Dla sekwencyjnego i kombinowanych logiki , logiki oprogramowania, takiego jak w programowalny sterownik logiczny , jest wykorzystywana.

Pętli otwartej i zamkniętej pętli sterowania

Istnieją dwa wspólne zajęcia działania sterowania: pętla otwarta i zamknięta pętla. W układzie sterowania w pętli otwartej, działanie sterowania od sterownika jest niezależna od zmiennych procesu. Przykładem tego jest kocioł sterowana tylko przez zegar. Akcja kontrola jest włączenie lub wyłączenie kotła. Zmienna procesu sterownik temperature.This budowlanych steruje systemem ogrzewania dla stałej czasu, niezależnie od temperatury budynku.

W układzie sterowania z zamkniętą pętlą, działanie sterowania z kontrolera zależy od wielkości procesowej żądaną i rzeczywistą. W przypadku kotła analogii, byłoby to wykorzystać termostat do monitorowania temperatury na budowę, a zwrotnie sygnał, aby zapewnić wyjście regulator utrzymuje temperaturę na budowę zbliżoną do ustawionej na termostacie. Zamknięty regulator PID zawiera pętlę sprzężenia zwrotnego, która zapewnia kontroler wywiera działanie regulacyjne do sterowania zmienną procesu na taką samą wartość jak wartość zadaną. Z tego powodu kontrolerzy pętli zamkniętej nazywane są również kontrolery opinię.

Systemy sterowania ze sprzężeniem zwrotnym

Przykład jednej pętli sterującej przemysłowych; pokazuje ciągły modulowane sterowanie przebiegiem procesu.
Podstawowym sprzężenie zwrotne

W przypadku liniowego sprzężenia zwrotnego systemach wykorzystywany jest w pętli sterowania w tym czujników , algorytmy sterowania i siłowników jest umieszczony w celu regulacji zmiennej w zadanej (SP). Codziennym przykładem jest tempomat na pojeździe drogowym; gdzie czynniki zewnętrzne, takie jak gradientów spowoduje zmiany prędkości i sterownik ma zdolność modyfikowania żądanej prędkości zadanej. Algorytmu PID w sterowniku odtwarza prędkość rzeczywistą do pożądanej prędkości, w optymalny sposób, z minimalnym opóźnieniem lub przekroczenia przez sterowanie mocą wyjściową silnika pojazdu.

Systemy kontroli, które zawierają pewne wykrywanie wyników oni starają się osiągnąć wykorzystują sprzężenie zwrotne i może dostosować się do zmiennych okoliczności, do pewnego stopnia. Systemy sterowania w pętli otwartej nie wykorzystują informacji zwrotnych i uruchomić tylko w umówionym sposobów.

kontrola logika

Systemy kontroli logiki do maszyn przemysłowych i handlowych historycznie były realizowane przez połączone ze sobą elektrycznych przekaźników i timerów cam wykorzystujących logikę drabiny . Obecnie większość takie układy są konstruowane z mikrokontrolerem lub więcej specjalnych programowalne sterowniki logiczne (PLC). Oznaczenie logiki drabiny jest nadal w użyciu jako metody programowania sterowników PLC.

Sterowniki logiczne może odpowiedzieć przełączników i czujników, a może spowodować maszyny do uruchomienia i zatrzymania różne operacje dzięki zastosowaniu siłowników . Sterowniki logiczne służą do sekwencji operacji mechanicznych w wielu zastosowaniach. Przykłady obejmują windy, pralek i innych systemów, w operacji powiązanych. Automatyczny system sterowania sekwencyjnego może wywołać serię napędów mechanicznych we właściwej kolejności, aby wykonać zadanie. Na przykład, różne przetworniki elektryczne i pneumatyczne może być składane i kleju karton, wypełnić je produktem i uszczelnić go w automatycznej maszynie pakującej.

Oprogramowanie PLC mogą być zapisywane na wiele różnych sposobów - diagramów drabinie, SFC ( wykresy funkcji sekwencyjnych ) lub list rachunku .

On-off kontrola

On-off kontroli wykorzystuje kontroler nagle sprzężenia zwrotnego, który przełącza pomiędzy dwoma stanami. Prosty termostat może być opisana jako kontroler on-off. Gdy temperatura, PV, spadnie poniżej SP, grzejnik jest włączony. Innym przykładem jest wyłącznik ciśnieniowy na sprężarkę powietrza. Gdy ciśnienie, PV, spadnie poniżej wartości zadanej, SP, sprężarka jest zasilany. Lodówki i pompy próżniowe zawierają podobne mechanizmy. Proste systemy sterowania on-off, jak mogą one być tanie i skuteczne.

kontrola liniowa

Liniowe układy sterowania użyciu liniowego negatywną opinię do wytwarzania sygnału sterującego w celu utrzymania kontrolowanej zmiennej (PV), w żądanej wartości zadanej (SP).

sterowanie proporcjonalne

Odpowiedzi krok dla drugiego układu kolejności określonej przez funkcję przenoszenia , w którym jest współczynnik tłumienia i jest undamped naturalna częstotliwość.

Sterowanie proporcjonalne jest typu liniowego sprzężenia układu sterującego, w którym stosowana jest korekta w kontrolowanej zmiennej, która jest proporcjonalna do różnicy pomiędzy wymaganą wartość (wartość zadana - PS) a zmierzoną wartością (wartość procesu - PV). Dwa klasyczne przykłady mechanicznych wc zawór pływakowy dozowania i gubernator fly-ball .

Układ sterujący proporcjonalny jest bardziej skomplikowane niż w kontroli włączania-wyłączania systemu jak bimetaliczną wewnętrznym termostatu , ale prostszy niż proporcjonalno-całkująco-pochodną systemu (PID) stosowanego w coś w rodzaju samochodowe kontroli prędkości . Kontrola na starcie będzie działać całkiem dobrze w końcu, przez długi okres czasu w stosunku do całkowitego czasu reakcji systemu, ale nie jest skuteczna dla szybkich i aktualnych poprawek i odpowiedzi. Sterowanie proporcjonalne przezwycięża to przez modulowanie wyjściowe do urządzenia sterującego, na przykład w postaci zaworu kontrolnego , na poziomie, który pozwala uniknąć niestabilności, ale odnosi się korekcję tak szybko, jak to możliwe przy zastosowaniu optymalnej ilości korekcji proporcjonalnego.

Wadą regulacji proporcjonalnej jest to, że nie można wyeliminować błąd resztkowy SP-PV, ponieważ wymaga błąd wygenerować wyjściowy proporcjonalny. W celu przezwyciężenia tego regulatora PI był pomyślany, który wykorzystuje proporcjonalnego (P) w celu usunięcia błędny i integralny termin (I), aby usunąć resztkowy błąd przesunięcia przez całkowanie błędu w czasie w celu wytworzenia „I” elementu w obrębie wyjście regulatora.

W niektórych systemach istnieją praktyczne ograniczenia w zakresie wielkości regulowanej (MV). Na przykład, podgrzewacz może być wyłączony lub w pełni na, lub zawór może być zamknięte lub w pełni otwarty. Korekty zysku jednocześnie zmieniać zakres wartości błędów, nad którymi MV jest pomiędzy tymi granicami. Szerokość tego zakresu w jednostkach zmiennej błędu i dlatego PV, nazywa się zakres proporcjonalności (PB), który jest odwrotnością proporcjonalnego przyrostu. Podczas gdy zysk jest przydatna w leczeniu matematycznych, zakres proporcjonalności nazywa się często w sytuacjach praktycznych.

piec przykład

Podczas regulowania temperatury w przemysłowym piecu jest zwykle lepiej kontrolować otwór paliwa zaworu w stosunku do obecnych potrzeb pieca. Pomaga to uniknąć szoków termicznych i bardziej efektywnie stosuje ciepło.

Przy niskich zysków, tylko niewielka działania naprawcze stosuje się, gdy zostaną wykryte błędy. System może być bezpieczny i stabilny, ale może być powolny w odpowiedzi na zmieniające się warunki. Błędy pozostanie niepoprawiony na stosunkowo długi okres czasu, a system jest overdamped . Jeśli proporcjonalnego wzmocnienia, takie systemy stają się bardziej elastyczne i błędy są szybciej rozpatrywane. Jest to optymalny stosunek ceny do zysku zachodzącego gdy cały system mówi się krytycznie tłumiony . Wzrost zysku pętli poza ten punkt prowadzi do oscylacji w PV i takiego systemu jest underdamped .

Underdamped

Na przykład w piecu, załóżmy, że temperatura wzrasta do wartości zadanej, w którym, na przykład, będą wymagane dla stanu stacjonarnego 50% dostępnej mocy. W niskich temperaturach, stosuje się 100% dostępnej mocy. Kiedy wartość (PV) jest w, powiedzmy w 10 ° SP wejście ciepła zaczyna być zmniejszona przez proporcjonalny kontroler. Oznacza to 20 ° proporcjonalnego (PB) z całości bez udziału prądu, równomiernie rozłożone wokół wartości zadanej. Przy zadanej sterownik jest zastosowanie 50% mocy, jak jest to wymagane, ale bezpański zmagazynowane ciepło wewnątrz podsystemu grzejnego oraz w ścianach pieca zachowa zmierzona temperatura wzrasta dalej, co jest wymagane. Przy 10 ° powyżej SP docieramy na szczyt proporcjonalności (PB) i żadna siła jest stosowana, ale temperatura może rosnąć jeszcze zanim zaczynają spadać z powrotem. W końcu, jak PV wraca do PB, ciepło doprowadza się ponownie, teraz grzejnik i ścian pieca jest zbyt zimny, a temperatura spadnie zbyt nisko przed jej spadek jest zatrzymany, tak że drgania dalej.

Oscylacje temperatury że underdamped system kontroli pieca produkuje są nie do przyjęcia dla wielu powodów, w tym odpadów paliwa i czasu (każdy cykl oscylacji może trwać wiele minut), a także prawdopodobieństwa poważnie zarówno przegrzaniem pieca i jego zawartość.

Overdamped

Załóżmy, że wzmocnienie systemu kontroli zmniejsza się drastycznie i to zostaje wznowiona. W miarę zbliżania się temperatury, powiedzmy 30 ° poniżej SP (60 ° proporcjonalności (PB) w tym czasie), przy czym dopływ ciepła zaczyna być zmniejszona szybkość ogrzewania pieca ma czas na powolny i gdy ciepło jest jeszcze bardziej zmniejszona ostatecznie doprowadza się do wartości zadanej, jak na poziomie 50% pobór mocy a piec działa w razie potrzeby. Nie było pewne straty czasu, gdy piec wkradł do końcowej temperatury przy użyciu tylko 52%, a następnie 51% dostępnej energii, a przynajmniej nie zaszkodzi się stało. Ostrożnie zwiększając zysk (czyli zmniejszenie szerokości PB) to overdamped i powolne zachowanie można poprawić, dopóki system nie jest tłumiony krytycznie do tej temperaturze SP. Rozwiązanie to jest znane jako „dostrojenie” systemu sterowania. Dobrze dostrojony system kontroli temperatury pieca proporcjonalna zwykle bardziej skuteczne niż wyłączenia sterowania, ale będą nadal reagować wolniej niż pieca mogłoby pod umiejętne sterowania ręcznego.

PID

Schemat blokowy regulatora PID
Wpływ zmiany parametrów PID (K P K i K d ), w odpowiedzi na skok systemu.

Oprócz wydajność leniwy, aby uniknąć drgań, inny problem z proporcjonalna tylko do kontroli jest to, że aplikacja moc jest zawsze wprost proporcjonalna do błędu. W powyższym przykładzie założono, że zadana temperatura może być utrzymywana przy 50% mocy. Co się stanie, jeśli piec jest wymagane w innej aplikacji, gdzie wyższa temperatura zestaw będzie wymagało 80% mocy, aby ją utrzymać? Jeśli wzmocnienie w końcu ustawiony na 50 ° Pb, 80% mocy nie jest stosowana, jeśli piec do 15 ° poniżej wartości zadanej, a więc dla tej innej aplikacji operatorzy muszą pamiętać, by ustawić zadanej temperatury 15 ° wyższej niż rzeczywiście potrzebne. To 15 ° ta nie jest całkowicie stała albo: to zależy od temperatury otoczenia otoczenia, jak również inne czynniki, które wpływają na straty ciepła lub adsorpcji wewnątrz pieca.

Aby rozwiązać te dwa problemy, wiele systemów sterowania ze sprzężeniem zwrotnym obejmują matematyczne rozszerzenia w celu poprawy wydajności. Najbardziej popularne rozszerzenia prowadzi do proporcjonalno-całkująco-pochodnej kontrolą lub PID .

pochodna akcja

Pochodna część związana jest z typu szybkości zmian błędu z czasem: Jeśli zmienna mierzona zbliża się do zadanej szybko, następnie siłownik wspierany jest wcześnie, aby umożliwić jej wybrzeża do wymaganego poziomu; I odwrotnie, jeśli wartość mierzona zaczyna poruszać się szybciej od zadanej, dodatkowy wysiłek jest stosowana w stosunku do tej szybkości, aby spróbować utrzymać.

Pochodna działanie sprawia, że ​​system kontroli zachowują się znacznie bardziej inteligentnie. W systemach sterowania, takich jak strojenie temperatury pieca, a może motion-control ciężkiego elementu jak pistolet lub aparatu w jadącym pojeździe, działanie pochodną dobrze dostrojone regulatora PID mogą umożliwić osiągnięcie i utrzymanie wartość zadana lepiej niż większość wykwalifikowanych operatorów ludzkich mogła.

Jeśli jest zbyt zastosowano działanie pochodnej, może to doprowadzić do oscylacji też. Przykładem może być PV, które gwałtownie wzrosło w kierunku SP, a następnie zatrzymał się na początku i wydawało się „uciekać” od wartości zadanej, zanim ponownie rośnie w stosunku do niego.

całkowania

Zmiana reakcji drugiego systemu zamówień do etapu wejścia dla różnych wartości Ki.

Integralną termin potęguje efekt długotrwałych błędów w stanie stacjonarnym, stosując coraz większy wysiłek aż zredukować do zera. W przykładzie z pieca powyższej pracy w różnych temperaturach, jeśli ciepło jest stosowane, nie powoduje paleniska do wartości zadanej, niezależnie od przyczyny, integralną działanie coraz bardziej przesuwa proporcjonalności w stosunku do wartości zadanej momentu błędu PV jest zredukowana do zera wartość zadana została osiągnięta.

Rampa% na minutę

Niektóre kontrolery należą do ograniczania „rampy maksymalnie% na minutę”. Opcja ta może być bardzo pomocne w stabilizowaniu małych kotłów (3 MBTUH), zwłaszcza w okresie letnim, podczas lekkich ładunków. Narzędzie kocioł „urządzenie może być wymagane do zmiany obciążenia w ilości aż do 5% na minutę (IEA Coal Online - 2, 2007).”

Inne techniki

Jest możliwe, aby filtrować sygnał PV lub błędzie. Takie postępowanie może zmniejszyć odpowiedź układu do niepożądanych częstotliwości, aby zmniejszyć niestabilność lub oscylacje. Niektóre systemy sprzężenia zwrotnego będzie oscylować na tylko jednej częstotliwości. Poprzez odfiltrowanie, że częstotliwość, bardziej „sztywny” sprzężenie zwrotne może być stosowana, dzięki czemu system jest bardziej czuły, bez wytrząsania się od siebie.

Systemy sygnalizacji mogą być łączone. W regulacji kaskadowej jedna pętla sterowania stosuje algorytmy sterujące dla mierzonej zmiennej, z wartością zadaną, a następnie dostarcza się zmienną wartość zadaną dla pętli sterowania innego niż zmiennych wpływających na proces bezpośrednio. Jeżeli system ma kilka wielkości pomiarowych, które mają być kontrolowane, oddzielne układy sterowania będą obecne w każdym z nich.

Technika sterowania w wielu zastosowaniach produkuje systemy kontroli, które są bardziej skomplikowane niż PID. Przykładami takich dziedzin należą fly-by-wire układów sterowania samolotu, zakładów chemicznych i rafinerii. Modelowe sterowanie predykcyjne systemy są projektowane przy użyciu specjalistycznego oprogramowania komputerowego wspomagania projektowania i empirycznych, modele matematyczne systemu mają być kontrolowane.

Systemy hybrydowe PID i kontroli logicznej są powszechnie stosowane. Sygnał wyjściowy z regulatora liniowego może być blokowany przez układ logiczny, na przykład.

Logika rozmyta

Logika rozmyta jest próbą zastosowania łatwego projektowania sterowników logicznych do kontroli złożonych systemów stale zmieniających. Zasadniczo, pomiar w systemie logiki rozmytej mogą być częściowo prawda, że jeśli tak jest to 1 i nie jest 0, pomiar rozmyte mogą być między 0 i 1.

Zasady systemu są napisane w języku naturalnym i języku logiki rozmytej. Na przykład, projekt dla pieca byłoby zacząć: „Jeśli temperatura jest zbyt wysoka, zmniejsz paliwo do pieca Jeśli temperatura jest zbyt niska, zwiększ paliwo do pieca.”.

Pomiary z rzeczywistego świata, (takie jak temperatura pieca) przekształca się do wartości pomiędzy 0 i 1, widząc, gdzie wchodzą one w trójkąt. Zwykle, wierzchołek trójkąta jest maksymalną możliwą wartość, która przekłada się na 1.

Logika rozmyta, a następnie modyfikuje logiczna logika być arytmetyczną. Zazwyczaj „nie” operacja „wyjściowy = 1 - wejście,” ten „i” operacja „wyjściowy = input.1 pomnożona przez input.2” i „lub” jest „wyjściowy = 1 - ((1 - wejściowego. 1) pomnożonej przez (1 - input.2))”. Zmniejsza to do Boolean arytmetyki gdy wartości są ograniczone do 0 i 1, a nie mogą wahać się w przedziale jednostkowej [0,1].

Ostatnim krokiem jest „defuzzify” wyjście. Zasadniczo, rozmyte dokonać obliczeń wartość od zera do jednego. Ta liczba jest używana do wybrania wartości na linii, której nachylenie i wysokość konwertuje wartość rozmytej do liczby wyjściowej w świecie rzeczywistym. Liczbę następnie kontroluje prawdziwą maszyn.

Jeśli trójkąty są zdefiniowane prawidłowo, a zasady są tuż wynik może być dobry system sterowania.

Gdy wytrzymałe rozmyta jest ograniczona do jednego, szybkie obliczenia, zaczyna przypominać konwencjonalne rozwiązanie sprzężenia zwrotnego i może się wydawać, że rozmyta było zbędne. Jednakże, logika rozmyta paradygmat może zapewnić skalowalność dużych systemów sterowania, gdzie konwencjonalne metody staną się niewygodne i kosztowne, w celu uzyskania.

Fuzzy elektronika to elektroniczna technologia, która wykorzystuje logikę rozmytą zamiast logiki dwu wartości powszechnie stosowanych w elektronice cyfrowej .

realizacja fizyczna

Pomieszczenie sterowania DCS, gdzie są wyświetlane informacje roślin i kontrole na ekranach graficznych komputerowych. Operatorzy są w pozycji siedzącej, jak mogą przeglądać i kontrolować każdą część procesu od swoich ekranach, zachowując przegląd roślin.
Panel sterowania hydraulicznego maszyny prasy ciepła z dedykowanym oprogramowaniem do tej funkcji

Zakres realizacji wynosi od kompaktowych sterowników często z dedykowanym oprogramowaniem dla danej maszyny lub urządzenia, na rozproszonych systemów sterowania do sterowania procesami przemysłowymi.

Układy logiczne i kontrolery zwrotne są zazwyczaj realizowane z programowalnych sterowników logicznych .

Zobacz też

Referencje

Linki zewnętrzne