Kontrollsystem - Control system

Den centrifugal regulator är en tidig proportionell styrning mekanism.

Ett styrsystem hanterar, kommanderar, styr eller reglerar beteendet hos andra enheter eller system med hjälp av kontrollöglor . Det kan sträcka sig från en enda hemuppvärmningsregulator med en termostat som styr en hushållspanna till stora industriella styrsystem som används för att styra processer eller maskiner.

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 bringa processvariabelutgången från anläggningen till samma värde som börvärde.

För sekventiell och kombinationslogik används mjukvarulogik , såsom i en programmerbar logisk styrenhet .

Kontroll med öppen slinga och sluten slinga

Det finns två vanliga klasser av kontrollåtgärder: öppen slinga och sluten slinga. I ett styrsystem med öppen slinga är kontrollåtgärden från styrenheten 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 byggnadstemperaturen. Denna styrenhet driver värmesystemet under en konstant tid oavsett byggnadens temperatur.

I ett styrsystem med sluten slinga är styrningen från styrenheten beroende av den önskade och faktiska processvariabeln. När det gäller pannanalogin, skulle detta använda en termostat för att övervaka byggnadstemperaturen och mata tillbaka en signal för att säkerställa att styrenhetens utgång håller byggnadstemperaturen nära den inställda på termostaten. En regulator med sluten slinga har en återkopplingsslinga som säkerställer att styrenheten utövar en kontrollåtgärd för att styra en processvariabel till samma värde som börvärdet. Av denna anledning kallas slutna kretsar också feedbackkontroller.

System för återkoppling

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

När det gäller linjära återkopplingssystem är en styrslinga inkluderad sensorer , styralgoritmer och manövreringsorgan anordnade 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 hastighetsförändringar, och föraren har förmågan att ändra önskad inställd hastighet. Den PID-algoritmen i styrenheten återställer den faktiska hastigheten till den önskade hastigheten på ett optimalt sätt, med minimal fördröjning eller översvängning , genom reglering av uteffekten från fordonets motor.

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

Logisk kontroll

Logikstyrsystem för industriella och kommersiella maskiner implementerades historiskt av sammankopplade elektriska reläer och kamtimers med hjälp av stege-logik . Idag är de flesta sådana system konstruerade med mikrokontroller eller mer specialiserade programmerbara logiska styrenheter (PLC). Noteringen av stege-logik används fortfarande som en programmeringsmetod för PLC: er.

Logikstyrenheter kan reagera på omkopplare och sensorer och kan få maskinen att starta och stoppa olika operationer genom användning av ställdon . Logiska styrenheter används för att ordna mekaniska operationer i många applikationer. Exempel är hissar, tvättmaskiner och andra system med inbördes drift. Ett automatiskt sekventiellt styrsystem kan utlösa en serie mekaniska manöverdon i rätt ordning för att utföra en uppgift. Till exempel kan olika elektriska och pneumatiska givare fälla och limma en kartong, fylla den med produkt och sedan försegla den i en automatisk förpackningsmaskin.

PLC-programvara kan skrivas på många olika sätt - stegdiagram, SFC ( sekventiella funktionsdiagram ) eller uttalandelistor .

On-off-kontroll

On-off-kontroll använder en återkopplingsregulator som växlar plötsligt mellan två tillstånd. En enkel bi-metallisk inhemska termostat kan beskrivas som en till-från styrenheten. När temperaturen i rummet (PV) understiger användarinställningen (SP) slås värmaren på. Ett annat exempel är en tryckomkopplare på en luftkompressor. När trycket (PV) sjunker under börvärdet (SP) drivs kompressorn. Kylskåp och vakuumpumpar innehåller liknande mekanismer. Enkla on-off-styrsystem som dessa kan vara billiga och effektiva.

Linjär kontroll

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

Proportionell kontroll

Stegsvar för ett andra ordningssystem definierat av överföringsfunktionen , var är dämpningsförhållandet och är den ofärdämpade naturliga frekvensen.

Proportionell styrning är en typ av linjärt återkopplingsstyrsystem där en korrigering tillämpas på den kontrollerade variabeln som är proportionell mot skillnaden mellan önskat värde (SP) och det uppmätta värdet (PV). Två klassiska mekaniska exempel är toalettskålens proportioneringsventil och svängbollregulatorn .

Det proportionella styrsystemet är mer komplext än ett on-off-styrsystem, men enklare än ett PID-kontrollsystem ( proportionellt-integrerat-derivat ) som används till exempel i en farthållare för bilar . On-off-kontroll fungerar för system som inte kräver hög noggrannhet eller lyhördhet, men som inte är effektiva för snabba och snabba korrigeringar och svar. Proportionell kontroll övervinner detta genom att modulera den manipulerade variabeln (MV), såsom en reglerventil , vid en förstärkningsnivå som undviker instabilitet, men tillämpar korrigering så snabbt som möjligt genom att tillämpa den optimala kvantiteten av proportionell korrigering.

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

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

Ugnsexempel

Vid reglering av 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 vinster 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 förblir okorrigerade under relativt långa tidsperioder och systemet är överdämpat . Om den proportionella förstärkningen ökas blir sådana system mer lyhörda och fel hanteras snabbare. Det finns ett optimalt värde för förstärkningsinställningen när det totala systemet sägs vara kritiskt dämpat . Ökningar i slingförstärkning utöver denna punkt leder till svängningar i solpanelen och ett sådant system är underdämpat . Att justera förstärkningen för att uppnå kritiskt dämpat beteende kallas för att justera styrsystemet.

I det underdämpade fallet värms ugnen snabbt. När börvärdet har uppnåtts kommer lagrad värme i värmesystemet och i ugnens väggar att hålla den uppmätta temperaturen stigande utöver vad som krävs. Efter att ha stigit över börvärdet faller temperaturen tillbaka och så småningom appliceras värme igen. Varje fördröjning av uppvärmningen av värmesystemet gör att ugnstemperaturen sjunker ytterligare under börvärdet och cykeln upprepas. De temperatursvängningar som ett underdämpat ugnsstyrsystem ger är oönskade.

I ett kritiskt dämpat system, när temperaturen närmar sig börvärdet, börjar värmetillförseln att minska, ugnsuppvärmningshastigheten har tid att sakta ner och systemet undviker överskridning. Överskjutning undviks också i ett överdämpat system men ett överdämpat system är onödigt långsamt för att initialt nå börvärdet för att svara på externa förändringar i systemet, t.ex. öppna ugnsluckan.

PID-kontroll

Ett blockschema över en PID-styrenhet
Effekterna av att variera PID-parametrar (K p , K i , K d ) på stegsvaret för ett system.

Rena proportionella styrenheter måste fungera med kvarvarande fel i systemet. Även om PI-kontroller eliminerar detta fel kan de fortfarande vara tröga eller producera svängningar. PID-styrenheten åtgärdar dessa slutliga brister genom att införa en derivat (D) -åtgärd för att bibehålla stabiliteten medan responsen förbättras.

Derivat

Derivatet handlar om förändringshastigheten för felet med tiden: Om den uppmätta variabeln närmar sig börvärdet snabbt, backas manöverdonet tidigt för att låta det gå till önskad nivå; Omvänt, om det uppmätta värdet börjar röra sig snabbt bort från börvärdet, appliceras extra ansträngning - i proportion till den hastigheten 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 effekten av en väl avstämd PID-kontroller göra det möjligt att nå och upprätthålla ett börvärde bättre än de flesta skickliga mänskliga operatörer. Om derivatåtgärder tillämpas för mycket kan det dock leda till svängningar.

Integrerad handling

Ändring av svar från andra ordningens system till en steginmatning för varierande Ki-värden.

Den integrerade termen förstorar effekten av långvariga steady-state-fel och använder en ständigt ökande insats tills felet tas bort. I exemplet i ugnen över arbetar vid olika temperaturer, om den värme varelse tillämpas inte medför ugnen upp till börvärdet, av någon anledning, gralverkan alltmer flyttar den proportionella bandet i förhållande till börvärdet tills PV felet reduceras till noll och börvärdet uppnås.

Rampa upp% per minut

Vissa styrenheter inkluderar möjligheten att begränsa "ramp upp% per minut". Det här alternativet kan vara till stor hjälp för att stabilisera små pannor (3 MBTUH), särskilt under sommaren, under lätta belastningar. En energipanna kan behöva ändra lasten med en hastighet på så mycket som 5% per minut (IEA Coal Online - 2, 2007).

Andra tekniker

Det är möjligt att filtrera PV eller felsignalen. Detta kan bidra till att minska instabilitet eller svängningar genom att minska systemets svar på oönskade frekvenser. Många system har en resonansfrekvens . Genom att filtrera bort den frekvensen kan starkare övergripande återkoppling tillämpas innan svängning sker, vilket gör systemet mer lyhört utan att skaka sig isär.

Återkopplingssystem kan kombineras. I kaskadkontroll tillämpar en kontrollslinga kontrollalgoritmer på en uppmätt variabel mot ett börvärde men ger sedan ett varierande börvärde till en annan styrslinga i stället för att påverka processvariabler direkt. Om ett system har flera olika uppmätta variabler som ska styras kommer separata styrsystem att finnas för var och en av dem.

Styrteknik i många applikationer producerar styrsystem som är mer komplexa än PID-kontroll. Exempel på sådana fältapplikationer flygplansstyrsystem, kemiska anläggningar och oljeraffinaderier. Modeller för prediktiva styrsystem är utformade med hjälp av specialiserad programvara med datorstödd design och empiriska matematiska modeller av systemet som ska styras.

Rolig logik

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

Systemets regler är skrivna på naturligt språk och översätts till suddig logik. Till exempel bör designen för en ugn börja med: "Om temperaturen är för hög, minska bränslet till ugnen. Om temperaturen är för låg, öka bränslet till ugnen."

Mätningar från den verkliga världen (såsom en ugns temperatur) är förvirrade och logiken beräknas aritmetisk, i motsats till den booleska logiken , och utgångarna är avsvaddade för att styra utrustningen.

När en robust suddig design reduceras till en enda, snabb beräkning, börjar den likna en konventionell återkopplingsslinga och det kan tyckas att den fuzzy designen var onödig. Emellertid kan det suddiga logikparadigmet tillhandahålla skalbarhet för stora kontrollsystem där konventionella metoder blir obekväma eller dyra att härleda.

Fuzzy electronics är en elektronisk teknik som använder suddig logik istället för tvåvärdeslogiken som vanligtvis används i 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 dataskärmar, samtidigt som de behåller en anläggningsöversikt på de större skärmarna.
En kontrollpanel på 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 .

Logiksystem och återkopplingsstyrenheter implementeras vanligtvis med programmerbara logiska styrenheter .

Se även

Referenser

externa länkar