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.

Пропорциональное управление

Пропорциональное управление — это тип системы управления с линейной обратной связью, в которой к регулируемой переменной применяется коррекция, пропорциональная разнице между желаемым значением (SP) и измеренным значением (PV). унитаза Двумя классическими механическими примерами являются поплавковый пропорциональный клапан и шаровой регулятор .

Система пропорционального управления более сложна, чем система двухпозиционного управления , но проще, чем система пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) управления, используемая, например, в автомобильном круиз-контроле . Двухпозиционное управление подойдет для систем, которые не требуют высокой точности или оперативности, но не эффективны для быстрых и своевременных корректировок и реагирования. Пропорциональное управление преодолевает эту проблему путем модуляции регулируемой переменной (MV), такой как регулирующий клапан , на уровне усиления, который позволяет избежать нестабильности, но применяет коррекцию настолько быстро, насколько это практически возможно, применяя оптимальную величину пропорциональной коррекции.

Недостатком пропорционального управления является то, что оно не может устранить остаточную ошибку SP-PV, поскольку для создания пропорционального выходного сигнала требуется ошибка. ПИ -регулятор Для решения этой проблемы можно использовать . ПИ-регулятор использует пропорциональный член (P) для устранения грубой ошибки и интегральный член (I) для устранения остаточной ошибки смещения путем интегрирования ошибки во времени.

В некоторых системах существуют практические ограничения на дальность действия МВ. Например, у обогревателя есть ограничение на количество тепла, которое он может производить, и клапан может открываться только до определенного момента. Регулировка усиления одновременно изменяет диапазон значений ошибки, в котором MV находится между этими пределами. Ширина этого диапазона в единицах переменной ошибки и, следовательно, PV, называется зоной пропорциональности (PB).

Пример печи

При контроле температуры промышленной печи обычно лучше контролировать открытие топливного крана пропорционально текущим потребностям печи. Это помогает избежать тепловых ударов и более эффективно распределяет тепло.

При низких коэффициентах усиления при обнаружении ошибок применяется лишь небольшое корректирующее действие. Система может быть безопасной и стабильной, но может быть вялой в ответ на изменяющиеся условия. Ошибки останутся неисправленными в течение относительно длительного периода времени, и система будет перегружена . Если пропорциональное усиление увеличивается, такие системы становятся более отзывчивыми и ошибки устраняются быстрее. Существует оптимальное значение настройки усиления, когда вся система считается критически демпфированной . Увеличение коэффициента усиления контура за пределами этой точки приводит к колебаниям фотоэлектрического модуля, и такая система недостаточно демпфируется . Регулировка усиления для достижения критически демпфированного поведения известна как настройка системы управления.

В недодемпфированном случае печь нагревается быстро. Как только заданное значение будет достигнуто, накопленное тепло внутри подсистемы нагревателя и в стенках печи будет поддерживать повышение измеренной температуры выше требуемого. После превышения заданного значения температура снова падает и, в конечном итоге, снова подается тепло. Любая задержка в повторном нагреве подсистемы нагревателя приводит к дальнейшему падению температуры печи ниже заданного значения, и цикл повторяется. Колебания температуры, которые производит недостаточно демпфированная система управления печью, нежелательны.

В критически демпфированной системе при приближении температуры к заданной тепловложение начинает снижаться, скорость нагрева печи успевает замедлиться и система избегает перерегулирования. Перерегулирования также можно избежать в системе с повышенным демпфированием, но система с повышенным демпфированием излишне медленно достигает первоначального заданного значения в ответ на внешние изменения в системе, например, на открытие дверцы печи.

ПИД-регулятор

Чисто пропорциональные регуляторы должны работать с остаточной погрешностью в системе. Хотя ПИ-регуляторы устраняют эту ошибку, они все равно могут работать медленно или создавать колебания. ПИД-регулятор устраняет эти последние недостатки, вводя производное действие (D) для сохранения стабильности и улучшения реагирования.

Производное действие

Производная связана со скоростью изменения ошибки со временем: если измеряемая переменная быстро приближается к заданному значению, то привод выключается раньше, чтобы дать ему возможность выбегом до требуемого уровня; и наоборот, если измеренное значение начинает быстро отклоняться от заданного значения, прилагается дополнительное усилие — пропорционально этой скорости, чтобы помочь вернуть его обратно.

В системах управления, включающих управление движением тяжелого предмета, такого как пистолет или камера на движущемся транспортном средстве, производное действие хорошо настроенного ПИД-регулятора может позволить ему достигать и поддерживать заданное значение лучше, чем большинство опытных операторов-людей. Однако если производное действие применяется чрезмерно, это может привести к колебаниям.

Комплексное действие

Интегральный член усиливает эффект долговременных установившихся ошибок, прилагая все возрастающие усилия, пока ошибка не будет устранена. В приведенном выше примере печи, работающей при различных температурах, если подаваемое тепло не доводит печь до заданного значения по какой-либо причине, интегральное действие все больше перемещает зону пропорциональности относительно заданного значения до тех пор, пока ошибка PV не уменьшится до нуля и заданное значение достигнуто.

Увеличение % в минуту

Некоторые контроллеры включают возможность ограничения «% нарастания в минуту». Эта опция может быть очень полезна для стабилизации небольших котлов (3 МБТЕч), особенно летом, при небольших нагрузках. От котла коммунального назначения «может потребоваться изменение нагрузки со скоростью до 5% в минуту (IEA Coal Online - 2, 2007)». ^[1]^{[ не удалось пройти проверку ]}

Другие методы

Можно фильтровать PV или сигнал ошибки. Это может помочь уменьшить нестабильность или колебания за счет уменьшения реакции системы на нежелательные частоты. Многие системы имеют резонансную частоту . Фильтруя эту частоту, можно применить более сильную общую обратную связь до возникновения колебаний, что делает систему более отзывчивой, не расшатывая себя.

Системы обратной связи можно комбинировать. При каскадном управлении один контур управления применяет алгоритмы управления к измеряемой переменной в зависимости от заданного значения, но затем передает изменяющееся заданное значение в другой контур управления, вместо того, чтобы напрямую воздействовать на переменные процесса. Если в системе имеется несколько различных измеряемых величин, подлежащих контролю, для каждой из них будут присутствовать отдельные системы управления.

Во многих приложениях техника управления создает системы управления, которые более сложны, чем ПИД-регулирование. Примеры таких полевых применений включают электродистанционные системы управления самолетами, химические заводы и нефтеперерабатывающие заводы. Модельные системы прогнозного управления разрабатываются с использованием специализированного программного обеспечения для автоматизированного проектирования и эмпирических математических моделей управляемой системы.

См. также

Ссылки

^ «Энергоэффективное проектирование вспомогательных систем электростанций, работающих на ископаемом топливе» (PDF) . АББ. п. 262. Архивировано (PDF) из оригинала 5 августа 2014 г. Проверено 7 апреля 2014 г.

[1] «Энергоэффективное проектирование вспомогательных систем электростанций, работающих на ископаемом топливе» (PDF) . АББ. п. 262. Архивировано (PDF) из оригинала 5 августа 2014 г. Проверено 7 апреля 2014 г.

[1]