Система управления

Система управления управляет, командует, направляет или регулирует поведение других устройств или систем с помощью контуров управления . Он может варьироваться от одного контроллера отопления дома, использующего термостат, управляющий бытовым котлом, до крупных промышленных систем управления , которые используются для управления процессами или машинами. Системы управления разрабатываются с помощью процесса управления инженерными системами .

Для непрерывно модулированного управления используется контроллер с обратной связью для автоматического управления процессом или операцией. Система управления сравнивает значение или состояние переменной процесса регулируемой (PV) с желаемым значением или заданным значением (SP) и применяет разницу в качестве управляющего сигнала, чтобы привести выходную переменную процесса установки к тому же значению, что и уставка.

Для последовательной и комбинационной логики используется логика , например, в программируемом логическом контроллере . программная ^{[ нужны разъяснения ]}

Управление с разомкнутым и замкнутым контуром

По сути, существует два типа контура управления: управление с разомкнутым контуром (прямая связь) и управление с обратной связью (обратная связь).

Электромеханический таймер, обычно используемый для управления с разомкнутым контуром, основанный исключительно на временной последовательности, без обратной связи с процессом.

При управлении с разомкнутым контуром управляющее действие контроллера не зависит от «выходного сигнала процесса» (или «управляемой переменной процесса»). Хорошим примером этого является котел центрального отопления, управляемый только таймером, поэтому тепло подается в течение постоянного времени, независимо от температуры в здании. Управляющим действием является включение/выключение котла, но регулируемой переменной должна быть температура здания, а не так, потому что это разомкнутое управление котлом, которое не дает замкнутого управления температурой.

При управлении с обратной связью управляющее действие контроллера зависит от выходного сигнала процесса. В случае аналогии с котлом это будет включать термостат для контроля температуры в здании и, таким образом, подавать обратный сигнал, чтобы гарантировать, что контроллер поддерживает в здании температуру, установленную на термостате. Таким образом, контроллер с замкнутым контуром имеет контур обратной связи, который гарантирует, что контроллер осуществляет управляющее воздействие, чтобы обеспечить выходной сигнал процесса такой же, как «заданный вход» или «заданное значение». По этой причине контроллеры с обратной связью также называют контроллерами с обратной связью. ^[1]

Согласно определению Британского института стандартов, система управления с замкнутым контуром — это «система управления, имеющая обратную связь мониторинга, при этом сигнал отклонения, формируемый в результате этой обратной связи, используется для управления действием конечного элемента управления таким образом, чтобы стремятся свести отклонение к нулю». ^[2]

Так же; « Система управления с обратной связью — это система, которая имеет тенденцию поддерживать заданное соотношение одной системной переменной с другой путем сравнения функций этих переменных и использования разницы в качестве средства управления». ^[3]

Системы управления с обратной связью

Контроллер с обратной связью или контроллер с обратной связью — это контур управления , который включает в себя обратную связь , в отличие от контроллера с разомкнутым контуром или контроллера без обратной связи .Контроллер с обратной связью использует обратную связь для управления состояниями или выходами динамической системы . Его название происходит от информационного пути в системе: входные данные процесса (например, напряжение, подаваемое на электродвигатель ) влияют на выходные данные процесса (например, скорость или крутящий момент двигателя), которые измеряются датчиками и обрабатываются контроллер; результат (управляющий сигнал) «подается обратно» в качестве входных данных в процесс, замыкая цикл. ^[4]

В случае с линейной обратной связью систем контур управления , включающий датчики , алгоритмы управления и исполнительные механизмы, организуется для регулирования переменной в заданном значении (SP). Повседневным примером является круиз-контроль на дорожном транспортном средстве; где внешние воздействия, такие как холмы, могут вызвать изменение скорости, и водитель имеет возможность изменить желаемую заданную скорость. в ПИД-алгоритм контроллере восстанавливает фактическую скорость до желаемой оптимальным образом, с минимальной задержкой или превышением , путем управления выходной мощностью двигателя автомобиля.Системы контроля, которые включают в себя определенное определение результатов, которых они пытаются достичь, используют обратную связь и могут в некоторой степени адаптироваться к изменяющимся обстоятельствам. Системы управления с разомкнутым контуром не используют обратную связь и работают только заранее установленным образом.

Контроллеры с обратной связью имеют следующие преимущества перед контроллерами с разомкнутым контуром:

подавление помех (например, холмы в примере с круиз-контролем выше)
гарантированная производительность даже при неопределенностях модели , когда структура модели не полностью соответствует реальному процессу и параметры модели неточны
нестабильные процессы можно стабилизировать
пониженная чувствительность к изменениям параметров
улучшена производительность отслеживания ссылок
улучшенное исправление случайных колебаний ^[5]

В некоторых системах одновременно используются замкнутый и разомкнутый контур управления. В таких системах управление с разомкнутым контуром называется упреждающим и служит для дальнейшего улучшения характеристик отслеживания задания.

Распространенной архитектурой контроллера с обратной связью является ПИД-регулятор .

Логическое управление

Системы логического управления для промышленного и коммерческого оборудования исторически реализовывались с помощью взаимосвязанных электрических реле и кулачковых таймеров с использованием лестничной логики . Сегодня большинство таких систем построены на основе микроконтроллеров или более специализированных программируемых логических контроллеров (ПЛК). Обозначение лестничной логики до сих пор используется в качестве метода программирования ПЛК. ^[6]

Логические контроллеры могут реагировать на переключатели и датчики и могут запускать и останавливать различные операции оборудования с помощью исполнительных механизмов . Логические контроллеры используются для управления механическими операциями во многих приложениях. Примеры включают лифты, стиральные машины и другие системы с взаимосвязанными операциями. Система автоматического последовательного управления может запускать серию механических приводов в правильной последовательности для выполнения задачи. Например, различные электрические и пневматические преобразователи могут складывать и склеивать картонную коробку, наполнять ее продуктом, а затем запечатывать в упаковочной автоматической машине.

Программное обеспечение ПЛК может быть написано разными способами – в виде лестничных диаграмм, SFC ( схем последовательных функций ) или списков операторов . ^[7]

Вкл-выкл контроль

В двухпозиционном управлении используется контроллер обратной связи, который резко переключается между двумя состояниями. Простой биметаллический бытовой термостат можно описать как двухпозиционный контроллер. Когда температура в помещении (PV) опускается ниже заданной пользователем (SP), обогреватель включается. Другой пример — реле давления на воздушном компрессоре. Когда давление (PV) падает ниже заданного значения (SP), компрессор включается. Холодильники и вакуумные насосы содержат аналогичные механизмы. Подобные простые двухпозиционные системы управления могут быть дешевыми и эффективными.

Линейное управление

Линейное управление — это системы управления и теория управления , основанные на отрицательной обратной связи для создания управляющего сигнала для поддержания контролируемой переменной процесса (PV) на желаемом заданном значении (SP). Существует несколько типов линейных систем управления с разными возможностями.

Нечеткая логика

Нечеткая логика — это попытка применить простую конструкцию логических контроллеров для управления сложными непрерывно меняющимися системами. По сути, измерения в системе нечеткой логики могут быть частично верными.

Правила системы написаны на естественном языке и переведены в нечеткую логику. Например, проект печи начинался со слов: «Если температура слишком высокая, уменьшите количество топлива в печи. Если температура слишком низкая, увеличьте количество топлива в печи».

Измерения из реального мира (например, температура печи) фаззифицируются , а логика вычисляется арифметически, в отличие от булевой логики , а выходные данные дефаззифицируются для управления оборудованием.

Когда надежный нечеткий дизайн сводится к одному быстрому расчету, он начинает напоминать обычное решение с петлей обратной связи, и может показаться, что нечеткий дизайн не нужен. Однако парадигма нечеткой логики может обеспечить масштабируемость для больших систем управления, в которых традиционные методы становятся громоздкими или дорогостоящими в разработке. ^{[ нужна ссылка ]}

Нечеткая электроника — это электронная технология, которая использует нечеткую логику вместо двухзначной логики, более часто используемой в цифровой электронике .

Физическая реализация

Диапазон реализации систем управления варьируется от компактных контроллеров, часто со специальным программным обеспечением для конкретной машины или устройства, до распределенных систем управления для управления производственными процессами на большом физическом предприятии .

Логические системы и контроллеры с обратной связью обычно реализуются с помощью программируемых логических контроллеров . Широко реконфигурируемое и расширяемое устройство автоматизации (BREAD) — это новейшая платформа, которая предоставляет множество аппаратных устройств с открытым исходным кодом , которые можно подключать для создания более сложных систем сбора данных и управления. ^[8]

См. также

Ссылки

^ «Системы обратной связи и управления» - Дж. Дж. Ди Стеффано, А. Р. Стубберуд, И. Дж. Уильямс. Серия набросков Шаумса, McGraw-Hill, 1967 г.
^ Майр, Отто (1970). Истоки управления с обратной связью . Клинтон, Массачусетс, США: The Colonial Press, Inc.
^ Майр, Отто (1969). Истоки управления с обратной связью . Клинтон, Массачусетс, США: The Colonial Press, Inc.
^ Беххофер, Джон (31 августа 2005 г.). «Отзывы для физиков: Учебное сочинение по управлению» . Обзоры современной физики . 77 (3): 783–836. дои : 10.1103/RevModPhys.77.783 .
^ Цао, Ф.Дж.; Фейто, М. (10 апреля 2009 г.). «Термодинамика систем, управляемых с обратной связью» . Физический обзор E . 79 (4): 041118. arXiv : 0805.4824 . дои : 10.1103/PhysRevE.79.041118 .
^ Куфальдт, Тони Р. «Глава 6 ЛЕСТНИЧНАЯ ЛОГИКА» . Уроки электрических цепей -- Том IV . Архивировано из оригинала 12 сентября 2010 года . Проверено 22 сентября 2010 г.
^ Брейди, Ян. «Программируемые логические контроллеры – преимущества и применение» (PDF) . ПЛК . Архивировано (PDF) из оригинала 2 февраля 2014 года . Проверено 5 декабря 2011 г.
^ Хафтинг, Финн К.; Кулас, Дэниел; Мишельс, Этьен; Чипкар, Сарвада; Вишневский, Стефан; Шоннард, Дэвид; Пирс, Джошуа М. (05 декабря 2023 г.). «Модульная конструкция с открытым исходным кодом электроники для мониторинга и управления пиролизным реактором» . Электроника . 12 (24): 4893. doi : 10.3390/electronics12244893 . ISSN 2079-9292 .

Внешние ссылки

SystemControl Создавайте, моделируйте или HWIL контуры управления с помощью Python. Включает фильтр Калмана, контроль LQG и другие.
Полуавтономное управление полетом - Справочник unmannedaircraft.org
Control System Toolbox для проектирования и анализа систем управления.
Производитель систем управления Проектирование и производство систем управления.
Функции Mathematica для анализа, проектирования и моделирования систем управления.
Система управления Python (PyConSys). Создавайте и моделируйте контуры управления с помощью Python. AI для настройки параметров ПИД.

[Control_loop_auto-1] «Системы обратной связи и управления» - Дж. Дж. Ди Стеффано, А. Р. Стубберуд, И. Дж. Уильямс. Серия набросков Шаумса, McGraw-Hill, 1967 г.

[2] Майр, Отто (1970). Истоки управления с обратной связью . Клинтон, Массачусетс, США: The Colonial Press, Inc.

[3] Майр, Отто (1969). Истоки управления с обратной связью . Клинтон, Массачусетс, США: The Colonial Press, Inc.

[4] Беххофер, Джон (31 августа 2005 г.). «Отзывы для физиков: Учебное сочинение по управлению» . Обзоры современной физики . 77 (3): 783–836. дои : 10.1103/RevModPhys.77.783 .

[5] Цао, Ф.Дж.; Фейто, М. (10 апреля 2009 г.). «Термодинамика систем, управляемых с обратной связью» . Физический обзор E . 79 (4): 041118. arXiv : 0805.4824 . дои : 10.1103/PhysRevE.79.041118 .

[Kuphaldt_LADDER_LOGIC-6] Куфальдт, Тони Р. «Глава 6 ЛЕСТНИЧНАЯ ЛОГИКА» . Уроки электрических цепей -- Том IV . Архивировано из оригинала 12 сентября 2010 года . Проверено 22 сентября 2010 г.

[Ian_Brady_PLCs-7] Брейди, Ян. «Программируемые логические контроллеры – преимущества и применение» (PDF) . ПЛК . Архивировано (PDF) из оригинала 2 февраля 2014 года . Проверено 5 декабря 2011 г.

[8] Хафтинг, Финн К.; Кулас, Дэниел; Мишельс, Этьен; Чипкар, Сарвада; Вишневский, Стефан; Шоннард, Дэвид; Пирс, Джошуа М. (05 декабря 2023 г.). «Модульная конструкция с открытым исходным кодом электроники для мониторинга и управления пиролизным реактором» . Электроника . 12 (24): 4893. doi : 10.3390/electronics12244893 . ISSN 2079-9292 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

v т и Электроника
Филиалы	Аналоговая электроника Цифровая электроника Электронная инженерия Инструментарий Микроэлектроника Оптоэлектроника Силовая электроника Печатная электроника Полупроводник Схематический снимок Управление температурным режимом
Передовой темы	2020-е годы в вычислительной технике Атомтроника Биоэлектроника Список новой электроники Выход из строя электронных компонентов Гибкая электроника Маломощная электроника Молекулярная электроника Наноэлектроника Органическая электроника Фотоника Пьезотроника Квантовая электроника Спинтроника
Электронный оборудование	Кондиционер Центральное отопление Сушилка для одежды Компьютер / Ноутбук Камера Посудомоечная машина Морозильник Домашний робот Домашний кинотеатр Домашний кинотеатр ПК Информационные технологии Плита Микроволновая печь Мобильный телефон Сетевое оборудование Портативный медиаплеер Радио Холодильник Робот-пылесос Таблетка Телефон Телевидение Нагреватель воды Игровая консоль Стиральная машина
Приложения	Аудио оборудование Автомобильная электроника Авионика Система управления Сбор данных электронная книга электронное здравоохранение Электромагнитная война Электронная промышленность Встроенная система Бытовая техника Домашняя автоматизация Интегральная схема Бытовая техника Бытовая электроника Основное устройство Малый прибор Морская электроника Микроволновая техника Военная электроника Мультимедиа Ядерная электроника Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом Радар и радионавигация Радиоэлектроника Терагерцовая технология Проводная и беспроводная связь