Kontrollsystem

För annan användning, se Styrsystem (disambiguation) .

Centrifugalregulatorn är en tidig proportionell kontrollmekanism .

Ett kontrollsystem hanterar, styr, styr eller reglerar beteendet hos andra enheter eller system med hjälp av kontrollslingor . Det kan sträcka sig från en enskild uppvärmningsregulator som använder en termostat som styr en hushållspanna till stora industriella styrsystem som används för att styra processer eller maskiner. Styrsystemen är konstruerade via en reglerteknisk process.

För kontinuerligt modulerad styrning används en återkopplingsregulator för att automatiskt styra en process eller operation. Styrsystemet jämför värdet eller statusen för processvariabeln ( PV) som styrs med önskat värde eller börvärde (SP), och tillämpar skillnaden som en styrsignal för att få anläggningens processvariabelutgång till samma värde som börvärde.

För sekventiell och kombinationslogik används mjukvarulogik, såsom i en programmerbar logikstyrenhet . [ förtydligande behövs ]

Öppen och sluten styrning

Det finns två vanliga klasser av kontrollåtgärder: öppen slinga och sluten slinga. I ett styrsystem med öppen slinga är styråtgärden från regulatorn oberoende av processvariabeln. Ett exempel på detta är en centralvärmepanna som endast styrs av en timer. Kontrollåtgärden är att slå på eller av pannan. Processvariabeln är byggnadens temperatur. Denna styrenhet driver värmesystemet under en konstant tid oberoende av byggnadens temperatur.

I ett styrsystem med sluten slinga är styråtgärden från regulatorn beroende av önskad och aktuell processvariabel. I fallet med pannanalogin skulle detta använda en termostat för att övervaka byggnadstemperaturen och återkoppla en signal för att säkerställa att regulatorns utgång håller byggnadstemperaturen nära den som är inställd på termostaten. En regulator med sluten slinga har en återkopplingsslinga som säkerställer att regulatorn utövar en kontrollåtgärd för att styra en processvariabel till samma värde som börvärdet. Av denna anledning kallas regulatorer med sluten slinga även återkopplingsregulatorer.

Återkopplingskontrollsystem

Exempel på en enda industriell reglerslinga; visar kontinuerligt modulerad styrning av processflödet.
En grundläggande återkopplingsslinga

I fallet med linjära återkopplingssystem arrangeras en styrslinga inklusive sensorer , styralgoritmer och ställdon i ett försök att reglera en variabel vid ett börvärde (SP). Ett vardagligt exempel är farthållaren på ett vägfordon; där yttre påverkan som backar skulle orsaka hastighetsändringar och föraren har möjlighet att ändra den önskade inställda hastigheten. PID -algoritmen i styrenheten återställer den faktiska hastigheten till önskad hastighet på ett optimalt sätt, med minimal fördröjning eller översvängning , genom att styra uteffekten från fordonets motor.

Kontrollsystem som inkluderar en viss avkänning av de resultat de försöker uppnå använder sig av feedback och kan i viss mån anpassa sig till olika omständigheter. Styrsystem med öppen slinga använder sig inte av återkoppling och körs endast på förutbestämda sätt.

Logisk kontroll

Logiska styrsystem för industriella och kommersiella maskiner har historiskt sett implementerats av sammankopplade elektriska reläer och kamtimer med hjälp av steglogik . Idag är de flesta sådana system konstruerade med mikrokontroller eller mer specialiserade programmerbara logiska kontroller (PLC). Notationen av ladderlogik används fortfarande som en programmeringsmetod för PLC:er.

Logiska styrenheter kan reagera på omkopplare och sensorer och kan få maskineriet att starta och stoppa olika operationer genom att använda ställdon . Logiska styrenheter används för att sekvensera mekaniska operationer i många applikationer. Exempel är hissar, tvättmaskiner och andra system med sammanhängande verksamhet. Ett automatiskt sekventiellt styrsystem kan trigga en serie mekaniska ställdon i rätt sekvens för att utföra en uppgift. Till exempel kan olika elektriska och pneumatiska givare vika och limma en kartong, fylla den med produkten och sedan försegla den i en automatisk förpackningsmaskin.

PLC-programvara kan skrivas på många olika sätt – stegdiagram, SFC ( sequential function charts ) eller satslistor .

På-av-kontroll

Huvudartikel: Bang–bang control

På-av-styrning använder en återkopplingskontroll som växlar abrupt mellan två tillstånd. En enkel bimetallisk hushållstermostat kan beskrivas som en on-off styrenhet. När temperaturen i rummet (PV) går under användarinställningen (SP) slås värmaren på. Ett annat exempel är en tryckvakt på en luftkompressor. När trycket (PV) sjunker under börvärdet (SP) drivs kompressorn. Kylskåp och vakuumpumpar innehåller liknande mekanismer. Enkla av/på-styrsystem som dessa kan vara billiga och effektiva.

Linjär kontroll

Linjära styrsystem använder negativ återkoppling för att producera en styrsignal för att bibehålla den kontrollerade PV vid önskad SP. Det finns flera typer av linjära styrsystem med olika kapacitet.

Proportionell kontroll

Huvudartikel: Proportionell kontroll
Stegsvar för ett andra ordningens system definierat av överföringsfunktionen ζ är dämpningsförhållandet och är den odämpade egenfrekvensen

Proportionell styrning är en typ av linjär återkopplingsstyrning där en korrigering tillämpas på den styrda variabeln som är proportionell mot skillnaden mellan det önskade värdet (SP) och det uppmätta värdet (PV). Två klassiska mekaniska exempel är toalettskålens flottördoseringsventil och regulatorn .

Det proportionella styrsystemet är mer komplext än ett på-av-styrsystem, men enklare än ett proportionellt-integral-derivat (PID) styrsystem som används till exempel i en bilfarthållare . På-av-kontroll fungerar för system som inte kräver hög noggrannhet eller lyhördhet, men som inte är effektiv för snabba och snabba korrigeringar och svar. Proportionell styrning övervinner detta genom att modulera den manipulerade variabeln (MV), såsom en styrventil , vid en förstärkningsnivå som undviker instabilitet, men tillämpar korrigering så snabbt som möjligt genom att tillämpa den optimala mängden proportionell korrigering.

En nackdel med proportionell styrning är att den inte kan eliminera det återstående SP–PV-felet, eftersom det kräver ett fel för att generera en proportionell utsignal. En PI-regulator kan användas för att övervinna detta. PI-regulatorn använder en proportionell term (P) för att ta bort grovfelet och en integralterm (I) för att eliminera det kvarvarande offsetfelet genom att integrera felet över tiden.

I vissa system finns det praktiska begränsningar för MV:ns räckvidd. Till exempel har en värmare en gräns för hur mycket värme den kan producera och en ventil kan bara öppna än så länge. Justeringar av förstärkningen ändrar samtidigt intervallet av felvärden över vilka MV ligger mellan dessa gränser. Bredden på detta intervall, i enheter av felvariabeln och därför av PV, kallas det proportionella bandet (PB).

Exempel på ugn

När man kontrollerar temperaturen i en industriugn är det vanligtvis bättre att kontrollera öppningen av bränsleventilen i proportion till ugnens nuvarande behov. Detta hjälper till att undvika termiska stötar och applicerar värme mer effektivt.

Vid låga förstärkningar tillämpas endast en liten korrigerande åtgärd när fel upptäcks. Systemet kan vara säkert och stabilt, men kan vara trögt som svar på förändrade förhållanden. Fel kommer att förbli okorrigerade under relativt långa tidsperioder och systemet är överdämpat . Om den proportionella förstärkningen ökas blir sådana system mer responsiva och fel åtgärdas snabbare. Det finns ett optimalt värde för förstärkningsinställningen när det övergripande systemet sägs vara kritiskt dämpat . Ökning av loopförstärkningen bortom denna punkt leder till oscillationer i PV:n och ett sådant system är underdämpat . Att justera förstärkningen för att uppnå kritiskt dämpat beteende är känt som att justera styrsystemet.

I det underdämpade fallet värms ugnen snabbt. När börvärdet har nåtts kommer lagrad värme inom värmarens delsystem och i ugnens väggar att hålla den uppmätta temperaturen stigande utöver vad som krävs. Efter att ha stigit över börvärdet sjunker temperaturen tillbaka och så småningom tillförs värme igen. Varje fördröjning i återuppvärmningen av värmarens delsystem gör att ugnstemperaturen faller ytterligare under börvärdet och cykeln upprepas. Temperatursvängningarna som ett underdämpat ugnsstyrsystem producerar är oönskade.

I ett kritiskt dämpat system, när temperaturen närmar sig börvärdet, börjar värmetillförseln minska, ugnens uppvärmningshastighet hinner sakta ner och systemet undviker överskridande. Översvängning undviks också i ett överdämpat system, men ett överdämpat system är onödigt långsamt för att initialt nå börvärdet och reagerar på yttre förändringar i systemet, t.ex. att öppna ugnsdörren.

PID-kontroll

Ett blockschema över en PID-regulator
av olika PID-parametrar (Kp , Ki , Kd ) på ett systems stegsvar
Huvudartikel: PID-regulator

Rena proportionella regulatorer måste fungera med kvarvarande fel 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 derivativ (D)-åtgärd för att bibehålla stabiliteten samtidigt som responsen förbättras.

Derivat handling

Derivatan avser felets förändringshastighet med tiden: Om den uppmätta variabeln närmar sig börvärdet snabbt, backas ställdonet tidigt för att tillåta det att utrulla till önskad nivå; omvänt, om det uppmätta värdet börjar röra sig snabbt bort från börvärdet, appliceras extra ansträngning – i proportion till den snabbheten för att hjälpa till att flytta tillbaka det.

På styrsystem som involverar rörelsestyrning av ett tungt föremål som en pistol eller kamera på ett fordon i rörelse, kan den härledda verkan av en välinställd PID-regulator tillåta den att nå och bibehålla ett börvärde bättre än de flesta skickliga mänskliga operatörer. Om en derivatverkan överdrivs kan den dock leda till svängningar.

Integral handling

Ändring av svar för ett andra ordningens system på en steginmatning för varierande Ki-värden

Integraltermen förstorar effekten av långvariga steady-state-fel, med en ständigt ökande ansträngning tills felet är borta. I exemplet med ugnen ovan som arbetar vid olika temperaturer, om värmen som tillförs inte bringar ugnen upp till börvärdet, av någon anledning, flyttar integralverkan i ökande grad det proportionella bandet relativt börvärdet tills PV-felet reduceras till noll och börvärdet uppnås.

Ramp upp % per minut

Vissa kontroller inkluderar möjligheten att begränsa "upprampningen i % per minut". Detta alternativ kan vara till stor hjälp för att stabilisera små pannor (3 MBTUH), särskilt under sommaren, under lätta belastningar. En kraftpanna "kan behöva ändra lasten med en hastighet på så mycket som 5 % per minut (IEA Coal Online - 2, 2007)". [ misslyckad verifiering ]

Andra tekniker

Det är möjligt att filtrera PV eller felsignal. Att göra det kan hjälpa 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 feedback appliceras innan svängning inträffar, vilket gör systemet mer responsivt utan att skaka isär sig själv.

Återkopplingssystem kan kombineras. I kaskadstyrning tillämpar en styrslinga styralgoritmer på en uppmätt variabel mot ett börvärde men ger sedan ett varierande börvärde till en annan styrslinga snarare än att påverka processvariabler direkt. Om ett system har flera olika mätvariabler som ska styras kommer separata styrsystem att finnas för var och en av dem.

Reglerteknik i många applikationer ger styrsystem som är mer komplexa än PID-styrning. Exempel på sådana fälttillämpningar inkluderar fly-by-wire flygplanskontrollsystem, kemiska anläggningar och oljeraffinaderier. Modellförutsägande styrsystem är designade med hjälp av specialiserad datorstödd designprogramvara och empiriska matematiska modeller av systemet som ska styras.

Rolig logik

Huvudartikel: Fuzzy logic

Fuzzy logic är ett försök att tillämpa den enkla designen av logiska styrenheter för styrning av komplexa kontinuerligt varierande system. I grund och botten kan en mätning i ett fuzzy logiksystem vara delvis sant.

Systemets regler är skrivna på naturligt språk och översatta till luddig logik. Till exempel skulle designen för en ugn börja med: "Om temperaturen är för hög, reducera bränslet till ugnen. Om temperaturen är för låg, öka bränslet till ugnen."

Mätningar från den verkliga världen (såsom temperaturen i en ugn) fuzzifieras och logik beräknas aritmetiskt, i motsats till boolesk logik , och utsignalerna de-fuzzifieras till styrutrustning.

När en robust fuzzy design reduceras till en enda, snabb beräkning, börjar den likna en konventionell feedback loop-lösning och det kan tyckas att den fuzzy designen var onödig. Det luddiga logiska paradigmet kan dock ge skalbarhet för stora styrsystem där konventionella metoder blir svårhanterliga eller dyra att ta fram. [ citat behövs ]

Fuzzy electronics är en elektronisk teknik som använder fuzzy logik istället för den tvåvärdeslogik som oftare används inom digital elektronik .

Fysiskt genomförande

Ett DCS kontrollrum där stora skärmar visar anläggningsinformation. Operatörerna kan se och kontrollera vilken del av processen som helst från sina datorskärmar, samtidigt som de behåller en anläggningsöversikt på de större skärmarna.
En kontrollpanel för en hydraulisk värmepressmaskin

Utbudet av implementering av styrsystem är från kompakta styrenheter ofta med dedikerad programvara för en viss maskin eller enhet, till distribuerade styrsystem för industriell processkontroll för en stor fysisk anläggning .

Logiska system och återkopplingsstyrenheter implementeras vanligtvis med programmerbara logiska styrenheter .

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Control_system&oldid=1134689348 "