Sterownik z otwartą pętlą - Open-loop controller

Inne zastosowania „Pętli otwartej” można znaleźć w sekcji Pętla otwarta (ujednoznacznienie) .

W regulatorze z otwartą pętlą , zwanym również regulatorem bez sprzężenia zwrotnego , działanie regulatora jest niezależne od „wyjścia procesowego”, które jest regulowaną zmienną procesową. Nie wykorzystuje sprzężenia zwrotnego do określenia, czy jego wyjście osiągnęło pożądany cel polecenia wejściowego lub „wartości zadanej” procesu.

Istnieje wiele elementów sterowania w otwartej pętli, takich jak włączanie / wyłączanie zaworów, maszyn, świateł, silników lub grzejników, w przypadku których wiadomo, że wynik regulacji jest w przybliżeniu wystarczający w normalnych warunkach bez potrzeby sprzężenia zwrotnego. Zaletą stosowania sterowania w pętli otwartej w takich przypadkach jest zmniejszenie liczby elementów i złożoności. Jednak system z otwartą pętlą nie może korygować żadnych błędów, które popełnia lub koryguje w przypadku zakłóceń zewnętrznych, i nie może angażować się w uczenie maszynowe .

Sterowanie w pętli otwartej i zamkniętej (sprzężenie zwrotne)

Zegar elektromechaniczny, zwykle używany do sterowania w otwartej pętli, opartego wyłącznie na sekwencji czasowej, bez sprzężenia zwrotnego z procesu.

Zasadniczo istnieją dwa rodzaje pętli sterowania: sterowanie w pętli otwartej (ze sprzężeniem zwrotnym) i sterowanie w pętli zamkniętej (ze sprzężeniem zwrotnym).

W sterowaniu w pętli otwartej działanie regulacyjne ze sterownika jest niezależne od „wyjścia procesowego” (lub „sterowanej zmiennej procesowej”). Dobrym tego przykładem jest kocioł c.o. sterowany tylko timerem, dzięki czemu ciepło jest dostarczane przez stały czas, niezależnie od temperatury w budynku. Działanie regulacyjne polega na załączaniu / wyłączaniu kotła, ale zmienną regulowaną powinna być temperatura w budynku, a nie, ponieważ jest to regulacja kotła w pętli otwartej, która nie zapewnia regulacji temperatury w pętli zamkniętej.

W sterowaniu w pętli zamkniętej działanie regulatora zależy od wyjścia procesowego. W przypadku analogii z kotłem będzie to obejmował termostat do monitorowania temperatury w budynku, a tym samym zwrotny sygnał, aby zapewnić, że regulator utrzymuje temperaturę w budynku na termostacie. Dlatego regulator z zamkniętą pętlą ma pętlę sprzężenia zwrotnego, która zapewnia, że ​​kontroler wywiera działanie sterujące, aby wyjście procesowe było takie samo jak „wejście odniesienia” lub „wartość zadana”. Z tego powodu sterowniki z zamkniętą pętlą są również nazywane kontrolerami sprzężenia zwrotnego.

Definicja układu sterowania w pętli zamkniętej według British Standard Institution to „układ sterowania posiadający monitorujące sprzężenie zwrotne, przy czym sygnał odchylenia powstały w wyniku tego sprzężenia zwrotnego służy do sterowania działaniem końcowego elementu sterującego w taki sposób, aby mają tendencję do zmniejszania odchylenia do zera ”.

Aplikacje

Elektryczna suszarka do ubrań, która jest sterowana w pętli otwartej poprzez uruchomienie suszarki na określony czas, niezależnie od stopnia wysuszenia odzieży.

Sterownik z otwartą pętlą jest często używany w prostych procesach ze względu na jego prostotę i niski koszt, szczególnie w systemach, w których sprzężenie zwrotne nie jest krytyczne. Typowym przykładem może być starszy model domowej suszarki do ubrań , w przypadku którego długość czasu jest całkowicie zależna od oceny operatora, bez automatycznej informacji zwrotnej o suchości ubrań.

Na przykład system zraszaczy nawadniających , zaprogramowany do włączania się o określonych porach, może być przykładem systemu z otwartą pętlą, jeśli nie mierzy wilgotności gleby jako forma sprzężenia zwrotnego. Nawet jeśli na trawnik będzie padał deszcz, system zraszaczy włączy się zgodnie z harmonogramem, marnując wodę.

Innym przykładem jest silnik krokowy używany do kontroli położenia. Wysyłanie do niego strumienia impulsów elektrycznych powoduje, że obraca się o dokładnie tyle kroków, stąd nazwa. Gdyby zawsze zakładano, że silnik wykonuje poprawnie każdy ruch, bez sprzężenia zwrotnego pozycyjnego, byłoby to sterowanie w pętli otwartej. Jeśli jednak istnieje koder pozycji lub czujniki wskazujące pozycję początkową lub końcową, jest to sterowanie w pętli zamkniętej, na przykład w wielu drukarkach atramentowych . Wadą sterowania krokowego w otwartej pętli jest to, że jeśli obciążenie maszyny jest zbyt duże lub silnik próbuje poruszać się zbyt szybko, kroki mogą zostać pominięte. Sterownik nie ma możliwości wykrycia tego problemu, więc maszyna nadal nieznacznie wyłączy się z regulacji aż do zresetowania. Z tego powodu bardziej złożone roboty i obrabiarki zamiast silników krokowych wykorzystują serwomotory , które zawierają enkodery i sterowniki w pętli zamkniętej .

Jednak sterowanie w otwartej pętli jest bardzo przydatne i ekonomiczne w przypadku dobrze zdefiniowanych systemów, w których związek między danymi wejściowymi a stanem wynikowym można wiarygodnie modelować za pomocą wzoru matematycznego. Na przykład, dobrym zastosowaniem byłoby określenie napięcia, które należy podać do silnika elektrycznego, który napędza stałe obciążenie, aby osiągnąć żądaną prędkość . Gdyby jednak obciążenie nie było przewidywalne i stało się nadmierne, prędkość silnika może zmieniać się w zależności od obciążenia, a nie tylko napięcia, a sterownik z otwartą pętlą byłby niewystarczający, aby zapewnić powtarzalne sterowanie prędkością.

Przykładem tego jest system przenośników, który musi poruszać się ze stałą prędkością. Przy stałym napięciu przenośnik będzie poruszał się z różną prędkością w zależności od obciążenia silnika (reprezentowanego tutaj przez wagę przedmiotów na przenośniku). Aby przenośnik pracował ze stałą prędkością, napięcie silnika należy regulować w zależności od obciążenia. W takim przypadku konieczny byłby system sterowania w pętli zamkniętej.

Tak więc istnieje wiele elementów sterujących w otwartej pętli, takich jak włączanie i wyłączanie zaworów, świateł, silników lub grzejników, w przypadku których wiadomo, że wynik jest w przybliżeniu wystarczający bez potrzeby sprzężenia zwrotnego.

Kontrola sprzężenia zwrotnego

System kontroli sprzężenia zwrotnego, na przykład za pomocą regulatora PID , może być ulepszona przez połączenie zwrotne (lub w pętli zamkniętej) kontrola regulator PID z antycypacyjne sterowania (lub w pętli otwartej). Wiedza o systemie (taka jak pożądane przyspieszenie i bezwładność) może być przekazywana do przodu i łączona z wyjściem PID w celu poprawy ogólnej wydajności systemu. Sama wartość sprzężenia zwrotnego może często stanowić główną część sygnału wyjściowego regulatora. Regulator PID musi przede wszystkim kompensować jakąkolwiek różnicę lub błąd pozostający między wartością zadaną (SP) a reakcją systemu na sterowanie w pętli otwartej. Ponieważ sprzężenie zwrotne procesu nie wpływa na wyjście sprzężenia zwrotnego, nigdy nie może powodować oscylacji układu sterowania, poprawiając w ten sposób odpowiedź systemu bez wpływu na stabilność. Sprzężenie do przodu może opierać się na wartości zadanej i dodatkowych zmierzonych zakłóceniach. Ważenie wartości zadanej jest prostą formą sprzężenia zwrotnego.

Na przykład w większości systemów sterowania ruchem w celu przyspieszenia kontrolowanego obciążenia mechanicznego wymagana jest większa siła od siłownika. Jeśli regulator PID pętli prędkości jest używany do sterowania prędkością obciążenia i sterowania siłą przykładaną przez siłownik, to korzystne jest, aby przyjąć żądane przyspieszenie chwilowe, odpowiednio wyskalować tę wartość i dodać ją do wyjścia PID regulator pętli prędkości. Oznacza to, że za każdym razem, gdy obciążenie jest przyspieszane lub zwalniane, z siłownika zadana jest proporcjonalna wielkość siły, niezależnie od wartości sprzężenia zwrotnego. W tej sytuacji pętla PID wykorzystuje informacje sprzężenia zwrotnego do zmiany połączonego wyjścia w celu zmniejszenia pozostałej różnicy między wartością zadaną procesu a wartością sprzężenia zwrotnego. Pracując razem, połączony regulator sprzężenia zwrotnego z pętlą otwartą i regulator PID z pętlą zamkniętą mogą zapewnić bardziej responsywny system sterowania w niektórych sytuacjach.

Zobacz też

Bibliografia

  • Kuo, Benjamin C. (1991). Automatic Control Systems (6th ed.). New Jersey: Prentice Hall. ISBN   0-13-051046-7 .
  • Ziny Flikop (2004). „Bounded-Input Bounded-Predefined-Control Bounded-Output” ( http://arXiv.org/pdf/cs/0411015 )
  • Basso, Christophe (2012). „Projektowanie pętli sterujących dla zasilaczy liniowych i przełączających: przewodnik samouczka”. Artech House, ISBN   978-1608075577