A Beállásos és Jelkövető Szabályozás Magyarázata az Irányítástechnikában
Az irányítástechnika alapvető célja, hogy műszaki berendezések, rendszerek működését a kívánt módon befolyásolja és fenntartsa. Napjainkban a leghétköznapibb helyeken is szükség lehet bonyolult rendszermodellekre, számításokra. Sokszor nem is gondolnánk, látszólag mennyire egyszerű feladatra is bonyolult szabályozást használnak.
A mikroprocesszorok, mikrovezérlők megjelenése alapvetően új helyzetet teremtett az irányítástechnikában is, utat nyitott az egyre bonyolultabb szabályozási algoritmusok megvalósítására. Korábban elsősorban csak analóg szabályozók álltak rendelkezésünkre, amelyekkel a PID típusú szabályozók (arányos, integráló és deriváló) voltak a legkönnyebben megvalósíthatók. Ezek hosszú ideig szinte egyeduralkodók voltak az iparban.
Alapfogalmak: Irányítás, Vezérlés és Szabályozás
Az irányítás beavatkozás egy műszaki folyamatba, annak elindítása, tervszerű működésének biztosítása, üzemszerű leállítása végett. Amit irányítunk (például szállítószalag mozgása, tartály nyomása), azt irányított jellemzőnek nevezzük.
Vezérlés (Nyitott Hatásláncú Rendszerek)
Az irányításnak azt a módját, amelyiknél az irányított jellemző nem hat vissza az irányításra, vezérlésnek nevezzük. A vezérléstechnika az önműködő vezérlések elméletével és gyakorlati megvalósításával foglalkozó fejezete az automatika tudományának. A vezérlések nyitott hatásláncúak, tipikusan kétállapotú jelekkel működnek.
A vezérelt folyamatra, a vezérelt fizikai mennyiségre nemkívánatos jelek hatnak, ezeket zavaró jeleknek nevezzük. A vezérlés nyitott hatásláncából adódóan nem tudja kompenzálni a zavarások hatását. Az irányításnak ez a módja csak úgy tud helyesen működni, ha a vezérlésre ható zavarásokat a lehető legnagyobb mértékben kizárjuk.
Hatékony padlófűtés beállítás - Danfoss
Példák vezérlésre:
- A hűtőszekrény ajtajának nyitása bekapcsolja a belső világítást. A lámpa működése vagy nem működése nem befolyásolja az ajtó helyzetét. A hűtőszekrény-világítás vezérlésénél az érzékelő az ajtó helyzetét figyelő kapcsoló, a beavatkozó szerv pedig az izzólámpa. A vezérelt jellemző a belső világítás.
- A kimenet vezérlése az is, amikor otthon kiszámoljuk, hogy a fűtést fél órával az óracsöngés előtt kell bekapcsolni és folyamatosan bekapcsolva tartani, hogy amikor kikelünk az ágyból, a hőmérséklet megfelelő legyen. Itt a bemenőjel a bekapcsolt állapot jele, a kimenőjel a hőmérséklet, a zavaró jel a külső hőmérséklet. Ahhoz, hogy elvileg pontosan kiszámolhassuk a fűtés megfelelő bekapcsolási pillanatát, pontosan tudnunk kell a külső hőmérsékletet, a szoba kezdeti hőmérsékletét, a falak hőszigetelését, a kazán teljesítményét, stb. A vezérlés hátránya, hogy mindent előre pontosan kell tudni, de ezzel szemben nem kell folyamatosan a szoba hőmérsékletét mérni.
Szabályozás (Zárt Hatásláncú Rendszerek, Visszacsatolás)
A szabályozás a vezérléstől eltérően valamilyen visszacsatolást alkalmaz. Egy vezérlőegység az érzékelőktől érkező jelek alapján egy belső program szerint - amely általában adattábla-alapú interpoláció vagy logikai feltételrendszerek - szabályozni kívánja a hozzá tartozó alrendszert. A szabályozás beavatkozókkal, vagy más néven aktuátorokkal történik.
A szabályozási kör kialakításához kell valamilyen érzékelő, amellyel a szabályozandó jelet mérni tudjuk. Maga a szabályozás egy absztrakt szinten történik, ezért szükséges egy úgynevezett beavatkozó szerv, amely az absztrakt szabályozó jel alapján elvégzi a konkrét fizikai beavatkozást. Megvalósítható módszer a soros kompenzáció és a negatív visszacsatolás. A referenciajel és az aktuális kimenőjel különbségéből egy hibajelet képzünk (ezt nevezzük negatív visszacsatolásnak), és a hibajel értékétől függően egy a szabályozott szakasszal sorbakapcsolt szabályozó egységen keresztül hatunk a rendszerre.
Beállásos Szabályozás: Állandó Referencia Érték Elérése
A beállásos szabályozás célja, hogy adott szabályozási idő elteltével a kimenőjel értéke közelítőleg azonos legyen egy előírt konstans referencia értékkel.
Felmerülhet, hogy a legjobb megoldás az lenne, ha a szabályozott szakasz átviteli függvényének reciprokát, azzal sorbakapcsolva használnánk szabályozóként. Így a rendszer és a szabályozó eredő átviteli függvénye 1 lenne. Ezzel azonban több probléma is van. Ha a szabályozott szakaszban időkésleltetés van, akkor annak inverze a jóslás, ami elvileg lehetetlen. Ha nincs időkésleltetés, akkor is egy dinamikai rendszer inverze végtelenül nagy bemenőjelet generálna, aminek fizikai korlátai vannak. Ezért kell azt a kompromisszumot kötni, hogy a kimenőjel csak egy szabályozási idő elteltével veszi fel a referencia értéket. Végül, sohasem tudjuk pontosan a rendszer paramétereit, továbbá a legtöbb esetben a zavaró jeleket sem tudjuk kizárni, így célszerű ellenőrző méréssel meggyőződni arról, hogy a kimenőjel tényleg az-e, mint amit szeretnénk.
Példák beállásos szabályozásra:
- Mikor egy liftszekrény megáll egy emeletnél, akkor elektromágnesek behúzásával rögzítik a pozícióját. Ha előírjuk, hogy a behúzás legyen extrém gyors, de az ütközés előtt fékeződjön le, hogy az ütközési zaj az emberi fül számára hallhatatlan maradjon, akkor kénytelenek vagyunk egy nemlineáris megfigyelőn alapuló nemlineáris szabályozót készíteni.
- A curling követ el kell juttatni a célterületre. A követ egy megfelelő erővel kell elindítani, hogy a kő éppen a célponton álljon meg. A csúszás közben a kőre a súrlódási erő hat, amelyet söpréssel lehet módosítani. E tevékenység eredményét tekinthetjük zavaró jelnek, ekkor a kimenet beállásos vezérléséről beszélhetünk. De tekinthetjük visszacsatolásnak, mert ha látjuk, hogy a kő nem érné el a célt, akkor a jeget melegítve csökkentjük a súrlódási erőt, hogy a kő messzebb jusson el.
Jelkövető Szabályozás: Dinamikusan Változó Referencia Követése
A jelkövető szabályozás során a kimenőjel időfüggvényét előírjuk, tehát ismert. Minden későbbi időpontban a be- és kimenőjelről begyűjtött és korábbi ismeretek birtokában a kimenet aktuális pillanatnyi értékéből (a kimenőjel visszacsatolásával) határozzuk meg a szükséges beavatkozást. Ez a szabályozási forma egy visszacsatolt szabályozási hurkot igényel, amelynek célja, hogy a rendszer kimenete egy dinamikusan változó referenciát kövessen.
Megbízható INA vezérlés autóba
Példák jelkövető szabályozásra:
- A merevlemezekre írható információ mennyiségét jelenleg nem az adathordozó tulajdonságai, hanem az olvasófej pozicionálási pontossága korlátozza. Ahogy a nemlineáris szabályozással egyre pontosabban lehet pozicionálni az olvasófejet, úgy egyre nagyobb információ sűrűség érhető el a lemezen. Itt az olvasófejnek egy adott, előre meghatározott pályát kell követnie a lemezen.
- A robotok, mint valóban bonyolult szerkezetek, különösen a két lábon járó robotok esetében a jelkövetés kritikus. Ezek még nagyon lassan mozognak, természetesen a mozgató motorok nagyobb sebességet is elbírnának, de a szabályozó képtelen gyorsabban számolni és küldeni a mozgatási parancsokat, ami a mozgáspálya pontos követéséhez lenne szükséges.
A Szabályozási Kör Részletesebb Vizsgálata
A negatív visszacsatolás magában hordozza annak veszélyét, hogy túlreagáljuk a hibát. Bármilyen beavatkozás után valamennyi idő mindig kell, hogy a beavatkozás hatása megjelenjen. Ha akkor is növeljük a beavatkozás erősségét, amikor a rendszerben a változások megindultak, csak még a kimeneten nem jelent meg a változás, akkor túlreagáltuk a hibát. A jelenség matematikai magyarázata szerint a frekvencia növelésével tendenciájában nő a fáziseltolódás és csökken az erősítés a válaszjelben. A negatív visszacsatolás 180 fokos fáziseltolásnál pozitív visszacsatolássá válhat, ami instabilitáshoz vezethet.
A visszacsatolt szabályozási körrel szemben támasztott elvárások:
- Gyorsaság: A kimenőjelnek a referencia értékére való beállásának sebessége, meghatározásához pontossági korlátot kell előírnunk.
- Túllövés: A kimenőjel maximális értéke, amelyet százalékban vizsgálunk, hogy mennyivel haladja meg a referenciajelet.
- Felfutási idő: Az az idő, amennyi alatt a kimenőjel állandósult értékének 10%-áról a 90%-os értékére növekszik.
- Beavatkozójel fizikai megvalósíthatósága: A fizikai korlátok figyelembe vétele. A felfutás kezdetén megengedhető a beavatkozószerv telítődése, de telítődés idején a zárt szabályozási kör felnyílik, a szabályozás megszűnik.
A beavatkozók széles skálán mozognak, a befecskendezőktől, a szelepeken át a villanymotorokig. Egy aktuátor meghibásodása esetén az alrendszer helytelen üzemállapotba kerülhet. A probléma az, hogy egy aktuátor hibás működését jellemzően csak áttételesen, egy érzékelőelem által mért „nem hihető” értéke jelzi csak számunkra.
Modern Irányítástechnikai Alkalmazások
Az új évezredben szinte minden hallgató táskájában ott lapul egy nemlineáris szabályozó egy notebook merevlemezes meghajtójában. A merevlemezekre írható információ mennyiségét jelenleg nem az adathordozó tulajdonságai, hanem az olvasófej pozicionálási pontossága korlátozza. Ahogy a nemlineáris szabályozással egyre pontosabban lehet pozícionálni az olvasófejet, úgy egyre nagyobb információ sűrűség érhető el a lemezen.
A modern járművekben található beavatkozók egyre nagyobb arányban aktív ciklusidő vagy PWM-vezérléssel rendelkeznek. Ennek a vezérlési módnak köszönhető többek között egy LED-világítótesttel megoldott eltérő világításintenzitás vagy pedig egy villanymotor fordulatszám-szabályozása fölösleges ohmikus veszteségek nélkül.
Az ISOBUS vezérlésű CCI-200 terminál például kapcsolja a vetőgép szakaszait a traktor RTK GPS jele alapján annak biztosítására, hogy a kikapcsolási és bekapcsolási pont teljesen állandó legyen a forgónál. Erre a célra jelző területek vannak meghatározva a forgó kialakításának előkészítése során. Ez a funkció kombinálható a traktor munkagépkezelő rendszerével (TIM) a rendszer kiegészítése által, aminek eredményeként a traktor megkapja a megfelelő jeleket a vetőgéptől és annak alapján automatikusan beállítja a sebességét. Ezek a funkciók javítják a vetés minőségét és a kezelői kényelmet.
A valós idejű szimuláció olyan fizikai rendszerre vonatkozik, amely egy külső hatásra adott időn belül képes választ generálni. Ezzel szemben az offline szimuláció esetén nincs meg a valós és szimulált jel egyidejűsége. Egy berendezés tervezése és a működésének szabályozása alapvetően más követelményeket támaszt. A szabályozási feladatok esetén inkább egy kevésbé pontos, de valós időben működő szimulációt kell alkalmazni.
tags: #beállásos #és #jelkövető #vezérlés #magyarázat