Öppen slinga kontroller
I styrteorin är en styrenhet med öppen slinga , även kallad icke-feedback-styrenhet , ett styrsystem där styråtgärden är oberoende av "processutgången", som är den processvariabel som styrs. Den använder inte återkoppling för att avgöra om dess utgång har uppnått det önskade målet för ingångskommandot eller processbörvärdet .
Det finns många styrningar med öppen slinga , såsom till/frånkoppling av ventiler, maskiner, lampor, motorer eller värmare, där man vet att styrresultatet är ungefär tillräckligt under normala förhållanden utan behov av återkoppling. Fördelen med att använda styrning med öppen slinga i dessa fall är minskningen av antalet komponenter och komplexiteten. Ett system med öppen slinga kan dock inte korrigera några fel som det gör eller korrigera för externa störningar och kan inte delta i maskininlärning , till skillnad från ett kontrollsystem med sluten slinga .
Open-loop och closed-loop (feedback) bidrar
I grund och botten finns det två typer av kontrollslingor: öppen slinga (framkoppling) och sluten slinga (återkoppling).
Vid styrning med öppen slinga är styråtgärden från regulatorn oberoende av "processutgången" (eller "styrd processvariabel"). Ett bra exempel på detta är en centralvärmepanna som endast styrs av en timer, så att värme tillförs under en konstant tid, oavsett byggnadens temperatur. Kontrollåtgärden är att slå på/stänga av pannan, men den styrda variabeln bör vara byggnadstemperaturen, men beror inte på att detta är en öppen styrning av pannan, som inte ger en återkoppling av temperaturen.
Vid sluten kretsstyrning är styråtgärden från regulatorn beroende av processutgången. I fallet med pannanalogin skulle detta inkludera en termostat för att övervaka byggnadens temperatur och därigenom återkoppla en signal för att säkerställa att regulatorn håller byggnaden vid den temperatur som är inställd på termostaten. En regulator med sluten slinga har därför en återkopplingsslinga som säkerställer att regulatorn utövar en kontrollåtgärd för att ge en processutgång samma som "referensingången" eller "börvärdet". Av denna anledning kallas regulatorer med sluten slinga även återkopplingsregulatorer.
Definitionen av ett styrsystem med sluten slinga enligt British Standard Institution är "ett styrsystem som har övervakningsåterkoppling, varvid den avvikelsesignal som bildas som ett resultat av denna återkoppling används för att styra verkan av ett slutligt styrelement på ett sådant sätt att tenderar att minska avvikelsen till noll."
Ansökningar
En styrenhet med öppen slinga används ofta i enkla processer på grund av dess enkelhet och låga kostnad, särskilt i system där återkoppling inte är kritisk. Ett typiskt exempel skulle vara en torktumlare för hushållsbruk av äldre modell , för vilken tidslängden är helt beroende av den mänskliga operatörens bedömning, utan automatisk återkoppling av klädernas torrhet.
Till exempel kan ett bevattningssprinklersystem , programmerat att slå på vid bestämda tider , vara ett exempel på ett system med öppen krets om det inte mäter markfuktighet som en form av återkoppling. Även om regnet öser ner på gräsmattan, skulle sprinklersystemet aktiveras enligt schemat, vilket slösar med vatten.
Ett annat exempel är en stegmotor som används för kontroll av position. Att skicka den en ström av elektriska pulser får den att rotera med exakt så många steg, därav namnet. Om motorn alltid antogs utföra varje rörelse korrekt, utan lägesåterkoppling, skulle det vara styrning med öppen slinga. Men om det finns en positionskodare, eller sensorer för att indikera start- eller slutpositionerna, så är det sluten kretsstyrning, som i många bläckstråleskrivare . Nackdelen med öppen-loop-styrning av stegmaskiner är att om maskinbelastningen är för hög, eller om motorn försöker röra sig för snabbt, kan stegen hoppas över. Regulatorn har inga möjligheter att upptäcka detta och så fortsätter maskinen att köra lite ur justering tills den återställs. Av denna anledning använder mer komplexa robotar och verktygsmaskiner istället servomotorer snarare än stegmotorer, som innehåller kodare och slutna styrenheter .
Emellertid är styrning med öppen slinga mycket användbar och ekonomisk för väldefinierade system där förhållandet mellan input och det resulterande tillståndet kan modelleras tillförlitligt med en matematisk formel. Att till exempel bestämma spänningen som ska matas till en elmotor som driver en konstant belastning för att uppnå en önskad hastighet skulle vara en bra tillämpning. Men om belastningen inte var förutsägbar och blev överdriven, kan motorns hastighet variera som en funktion av belastningen, inte bara spänningen, och en styrenhet med öppen slinga skulle vara otillräcklig för att säkerställa repeterbar kontroll av hastigheten.
Ett exempel på detta är ett transportörsystem som krävs för att färdas med konstant hastighet. För en konstant spänning kommer transportören att röra sig med en annan hastighet beroende på belastningen på motorn (representeras här av vikten av föremål på transportören). För att transportören ska gå med konstant hastighet måste motorns spänning anpassas beroende på belastningen. I detta fall skulle ett styrsystem med sluten krets vara nödvändigt.
Det finns alltså många styrningar med öppen slinga, såsom kopplingsventiler, lampor, motorer eller värmare på och av, där resultatet är känt för att vara ungefär tillräckligt utan behov av återkoppling.
Feedbackkontroll
Ett återkopplingsstyrsystem, såsom en PID-regulator , kan förbättras genom att kombinera återkopplings- (eller sluten krets) styrning av en PID-regulator med framkopplingsstyrning (eller öppen slinga). Kunskap om systemet (såsom önskad acceleration och tröghet) kan matas framåt och kombineras med PID-utgången för att förbättra systemets övergripande prestanda. Enbart framkopplingsvärdet kan ofta tillhandahålla huvuddelen av styrenhetens utsignal. PID-regulatorn måste i första hand kompensera för eventuell skillnad eller fel som återstår mellan börvärdet (SP) och systemets svar på den öppna styrningen. Eftersom frammatningsutgången inte påverkas av processåterkopplingen, kan den aldrig få styrsystemet att oscillera, vilket förbättrar systemets respons utan att påverka stabiliteten. Frammatning kan baseras på börvärdet och på extra uppmätta störningar. Börvärdesviktning är en enkel form av feed forward.
Till exempel, i de flesta rörelsekontrollsystem, för att accelerera en mekanisk belastning under kontroll, krävs mer kraft från ställdonet. Om en PID-regulator för hastighetsslinga används för att styra lastens hastighet och styra kraften som appliceras av ställdonet, är det fördelaktigt att ta den önskade momentana accelerationen, skala det värdet på lämpligt sätt och lägga till det till utmatningen av PID:n hastighetsloopregulator. Detta innebär att närhelst lasten accelereras eller bromsas in, beordras en proportionell mängd kraft från ställdonet oavsett återkopplingsvärdet. PID-slingan i denna situation använder återkopplingsinformationen för att ändra den kombinerade utsignalen för att minska den återstående skillnaden mellan processbörvärdet och återkopplingsvärdet. Genom att arbeta tillsammans kan den kombinerade återkopplingsstyrningen med öppen slinga och PID-regulatorn med sluten slinga ge ett mer lyhört kontrollsystem i vissa situationer.
Se även
- Cataract , den öppna hastighetsregulatorn för tidiga strålmotorer
- Kontrollteori
- Feed-forward
- PID-regulator
- Processkontroll
- Kuo, Benjamin C. (1991). Automatic Control Systems (6:e upplagan). 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). "Designa kontrollslingor för linjära och växlande strömförsörjningar: en handledning". Artech House, ISBN 978-1608075577