Vezérlés és Szabályozás: Alapoktól a Korszerű Megoldásokig

Az irányítástechnika területe folyamatosan fejlődik, és mára életünk számos aspektusában nélkülözhetetlenné vált. A mikroprocesszorok és mikrovezérlők megjelenése előtt elsősorban csak analóg szabályozók álltak rendelkezésünkre, és analóg eszközökkel a legkönnyebben az ún. PID típusú szabályozók (Arányos, Integráló és Deriváló) valósíthatók meg. Ezek nagyon sok feladatra kellően hatékonyak, és ezért kb. a nyolcvanas évekig az iparban szinte egyeduralkodók voltak. A mikroprocesszorok megjelenése alapvetően új helyzetet teremtett az irányítástechnikában is, utat nyitott az egyre bonyolultabb szabályozási algoritmusok megvalósítására.

Az új évezredben szinte minden hallgató táskájában ott lapul egy nemlineáris szabályozó egy notebook merevlemezes meghajtójában. Ugyanis 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. Feltételezhető, hogy amire elérik a mágneses adathordozó korlátait, addigra meg fog jelenni egy alapvetően új adattárolási mechanizmus.

Napjainkban a leghétköznapibb helyeken is szükség lehet bonyolult rendszermodellekre, számításokra. Sokszor nem is gondolnánk, látszólag mennyire egyszerű feladatra is bonyolult szabályozást használnak. Pl. mikor egy liftszekrény megáll egy emeletnél, akkor elektromágnesek behúzásával rögzítik a pozícióját. Látszólag nem okoz gondot egy ilyen behúzó mágnes megtervezése. Ezzel szemben, 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 másik oldalon ott vannak a robotok, mint valóban bonyolult szerkezetek, különösen a két lábon járó robotok ilyenek. Ezek még nagyon lassan mozognak, természetesen a mozgató motorok nagyobb sebességet is elbírnának, de a szabályozó képtelen gyorsabban számolni és küldeni a mozgatási parancsokat. A másik hatalmas számításigényű művelet a képfeldolgozás és az alakfelismerés. A robotikában a nagy áttörés még várat magára.

A Vezérlés és Szabályozás Alapfogalmai

A szabályozás és a vezérlés két, egymástól eltérő irányítási folyamat. Gyakran összekeveredik bennünk a szabályozás és a vezérlés fogalma, éppen ezért mindenekelőtt tisztáznunk kell e két irányítási folyamat lényegét.

Vezérlés: Nyitott Hatásláncú Irányítás

A vezérlés nyitott kör, nincs visszahatással a vezérelt folyamatra. A vezérlés nyitott hatásláncú irányítás. A vezérelt berendezés nem hat vissza a vezérlőre. A hatások (a szervek közötti kapcsolatok) egyirányúak, a jelek egy irányba terjednek.

Hatékony padlófűtés beállítás - Danfoss

A vezérlés hátránya, hogy mindent előre pontosan kell tudni, de ezzel szemben nem kell folyamatosan a szoba hőmérsékletét mérni, ha jól számoltunk, akkor minden úgy alakul, ahogy elterveztük. Például, a curling követ el kell juttatni a célterületre. Legyen a kő távolsága a célponttól, a követ egy megfelelő erővel kell elindítani, hogy a kő éppen az ponton álljon meg. 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. Természetesen, az sem mindegy, hogy a fűtés bekapcsolásakor mekkora a kezdeti hőmérséklet. Ahhoz, hogy elvileg pontosan kiszámolhassuk a fűtés megfelelő bekapcsolási pillanatát, hogy egy adott időpontban a szoba hőmérséklete egy ideális érték legyen, pontosan tudnunk kell a külső hőmérsékletet, a szoba kezdeti hőmérsékletét, a falak hőszigetelését, a kazán teljesítményét, stb.

A Vezérlőberendezés

A vezérlőberendezés végzi az irányítás feladatát. Önműködő vezérlések esetén ez a berendezés váltja ki az ember munkáját. Feladata a módosított jellemző értékének beállítása olyan értékre, hogy a vezérelt jellemző megfelelő legyen. A vezérlőberendezés részei: vezérlő készülék és a beavatkozó szerv. A vezérlőkészülék kimenőjele a beavatkozó jel, ennek feladata a beavatkozó szerv állapotának megváltoztatása.

A Vezérelt Berendezés

A vezérelt berendezés a termelést végző műszaki berendezés. A vezérelt berendezés vezérelt jellemzőjének megváltoztatásához az áramló anyagmennyiséget, vagy energiát - ez a módosított jellemző - kell megváltoztatni.

Szabályozás: Zárt Hatásláncú Irányítás

A szabályozás egy zárt kör, melynek feladata az adott jellemző állandó értéken tartása. Ennek elérésére visszacsatolást alkalmaz a rendszer, egy érzékelő segítségével mért változásra reagál. A szabályozások vezetőjele határozza meg az alapjelképző által előállítandó alapjel értékét. Az alapjelképző szerv állítja elő az alapjelet. Az alapjel értéke határozza meg a szabályozott jellemző értékét.

A Szabályozó Berendezés

A szabályozott jellemző értéke visszahat a szabályozó berendezésre. Ebből következik, hogy a szabályozó és a szabályozott berendezés között kétirányú kapcsolat van. A szabályozó berendezés hatásirányban utolsó szerve a beavatkozó szerv, ez változtatja meg a szabályozott berendezésben a módosított jellemzőt. A szabályozott jellemző értékét a szabályozó berendezéshez tartozó érzékelő szerv figyeli, ez biztosítja a visszacsatolást.

Megbízható INA vezérlés autóba

A magyar terminológiák bizonyos tekintetben egy tudatos fordítás eredményeként bizonyos tekintetben átgondoltabbak, mint az angol nyelven spontán kialakult kifejezések. Ezeket mindenképp meg kell őriznünk, de ismerni kell az angol kifejezéseket is.

Nézzük meg egy egyszerű példát: egy adott szoba hőmérsékletének beállítását. Vezérlési parancsnak tekinthetjük azt, ha adott mértékben kinyitjuk a radiátort. Az adott folyamat kézi szabályozásakor, a folyamat jellemzőjét ugyancsak az operátor érzékeli és avatkozik be a folyamatba. Automatikus (aut) üzemmód. Kézi/aut üzemmód impulzus paranccsal állítható. Automatikus az irányítás, amikor az irányításhoz sem emberi érzékelésre, illetve kiértékelésre, sem emberi beavatkozásra nincs szükség.

Vezérlés és Szabályozás Összehasonlítása

Szabályozási Rendszerek Megvalósításának Elvei

A Szabályozás Célja és Megvalósítása

A szabályozás célja: A kimenet beállásos szabályozása, azaz adott szabályozási idő elteltével az kimenőjel értéke legyen közelítőleg azonos egy előírt konstans referencia értékkel.

Megvalósítható módszer: soros kompenzáció + 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. Ha a hibajel pozitív, akkor a szabályozni kívánt rendszer kimenőjele kisebb az előírtnál és minél nagyobb a hibajel, annál erőteljesebb beavatkozást igényel a rendszer. Ha a hibajel negatív, akkor a kimenőjel nagyobb az előírtnál, így a szabályozni kívánt rendszert vissza kell fogni. E gondolatmenetet követve az első ötletünk, hogy a hibajellel arányosan kell előállítani a rendszer bemenőjelét. Ezt később majd pontosítjuk.

A Negatív Visszacsatolás Kihívásai

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.

Saeco Vienna hibaelhárítás

Kezdő búvárokkal fordul elő, hogy beugranak a vízbe és nincs a mellényükben elegendő levegő, akkor a felcsatolt ólom miatt elkezdenek nagyon gyorsan süllyedni, ezért a palackból elkezdenek levegőt engedni a mellénybe. Idő kell, amíg a süllyedés megáll, így a búvár még egy darabig akkor is süllyed, amikor már a mellényében elegendő levegő van. Ha a pánik miatt még ekkor is folyamatosan engedi a levegőt a mellényébe, akkor az annyira felfújódik, hogy elkezdi nagy sebességgel felfelé vinni a búvárt, aki ismét pánikba eshet, mert tudja, ha túl gyorsan emelkedik, akkor bekövetkezhet a keszonbetegség, amely akár halálos kimenetelű is lehet, így egy pillanat alatt kiengedi az összes levegőt a mellényéből. A folyamat kezdődik elölről, és addig tart, amíg a búvár rá nem jön, hogy a hibát nem szabad túlreagálni.

A jelenség matematikai magyarázata a következő lehet. A jeleket szinuszos összetevők összegére lehet bontani. Alapvetően igaz az, hogy a frekvencia növelésével tendenciájában nő a fáziseltolódás és csökken az erősítés a válaszjelben. Természetesen lokálisan lehetnek ellentétes irányú változások, de tendenciájában ez minden valós rendszernél megfigyelhető. A negatív visszacsatolás 180 fáziseltolásnál pozitív visszacsatolássá válik. A fenti problémák miatt térünk át a frekvenciatartományba és az átviteli függvényre.

A Szabályozási Kör Komponensei

A szabályozási kör kialakításához kell valamilyen érzékelő, amellyel a szabályozandó jelet mérni tudjuk. Maga a szabályozás egy absztrakt szinten történik, ezért szükséges egy ún. beavatkozó szerv, amelyek az absztrakt szabályozó jel alapján elvégzi a konkrét fizikai beavatkozást. Ez akár több lépcsőben is történhet. Pl. egy robot kartagját motor mozgathatja, így a motor nyomatékát tekinthetjük a konkrét fizikai beavatkozásnak, de a motor megfelelő nyomatékáról egy teljesítményelektronikai áramkör gondoskodik. Ezzel kapcsolatban meg kell jegyezni, hogy mind a beavatkozó szervnek, mind a kimenetet mérő eszköznek lehet olyan dinamikája, amelyet nem hanyagolhatunk el, ezt a dinamikát Wp(s) részének tekintjük.

Wc(s) típusának kiválasztása és paramétereinek meghatározása a visszacsatolt szabályozási hurokkal szemben támasztott elvárások alapján történik. A visszacsatolt szabályozási körrel szemben támasztott elvárások többek között:

• Gyorsaság (előírás értékére) meghatározáshoz elő kell írnunk egy pontossági korlátot.
• Túllövés: a kimenőjel maximális értéke, általában azt vizsgáljuk, hogy hány százalékkal haladja meg a kimenőjel maximális értéke a referenciajelet.
• Felfutási idő (ez különbözik a szabályozási időtől). Az az idő, amennyi alatt a kimenőjel állandósult értékének 10%-áról a 90%-os értékére növekszik.
• A beavatkozójel fizikai megvalósíthatósága (fizikai korlátok). A felfutás kezdetén megengedhető a beavatkozószerv telítődése, de telítődés idején a zárt szabályozási kör felnyílik, a szabályozás megszűnik.

Érdekességként meg kell említeni, hogy ugyan a mechanikai szerkezetek, mint szabályozók napjainkban egyre inkább visszaszorulnak, de az egykori fontosságukat jól mutatja, hogy a BME Gépészmérnöki kar logójában is megtalálható.

Rendszermodellezés és Szimuláció

A rendszerrel kapcsolatos leggyakoribb feladatok különböző formában jelenhetnek meg, ahol az állapotváltozók vektora, a beavatkozó jelek vektora, a zavaró jelek vektora, a kimenőjelek vektora, a rendszer működését leíró függvény, kimenőjelet leképező függvény. Általában a rendszereket csak egy meghatározott T0 időponttól kezdődően vizsgáljuk. A legtöbb esetben az egyszerűség kedvéért T0=0. A múlt hatását az állapotváltozók kezdeti értékében összegezzük. Sok esetben ún. energiamentes állapotból indulunk ki, vagyis az állapotváltozók kezdeti értéke nulla. Ha az bemenetet külön nem jelöljük, illetve nem adjuk meg, akkor az azt jelenti, hogy energiamentes állapotban kezdődik a rendszer vizsgálata. Időinvariáns rendszerek esetén nincs szükség a bemenetre. Sokszor a zavaró jelet is elhanyagoljuk, és nem rajzoljuk fel az ábrára.

Valós Idejű és Offline Szimuláció

Egy fizikai rendszer konkrét számítástechnikai szimulációját akkor nevezzük valósidejűnek, ha a szimulációs program egy adott bemenőjelre adott választ a valós rendszer válaszával szinkronban számítja ki. Az offline szimuláció esetén nincs meg a valós és szimulált jel egyidejűsége.

Egy berendezés tervezése és a működésének szabályozása alapvetően más követelményeket támaszt. Pl. Ha egy repülőgép tervezési fázisában arra vagyunk kíváncsiak, hogy egy adott manőverben letörik-e a szárny, és azt károsodás nélkül túléli-e a repülőgép, akkor megengedhető, hogy a pontosabb számítás érdekében egy részletesebb modellt használva a szimuláció sokkal tovább tartson, mint maga a manőver. Vagyis megengedhető az offline szimuláció. A szabályozási feladatok esetén inkább egy kevésbé pontos, de valós időben működő szimulációt kell alkalmazni. A repülőgép esetén nem sok haszna van, ha a robotpilóta a gép lezuhanása után számítja ki, hogy 10 perccel korábban hogyan kellett volna a szárny letörését elkerülni. Az absztrakt rendszer fogalom esetén a valósidejűség nem értelmezhető (egy absztrakt rendszer csak offline lehet). Ennek ellenére az irodalomban használatos a valósidejű rendszerek fogalma, ez olyan valós fizikai rendszerre vonatkozik, amely egy külső hatásra adott időn belül képes választ generálni.

Korszerű Szabályozási és Vezérlési Megoldások

Az irányítási rendszerekben a nyitott hurokban üzemelő vezérléseknek és a zárt hurokban üzemelő szabályozásoknak együtt kell működniük. A vezérlések általában logikai feltételek teljesítését biztosítják például a rendszer megfelelő feltételeknek eleget tevő elindításához, leállításához, a korlátok betartásának ellenőrzéséhez, vészhelyzetek kiküszöböléséhez. Hasonlóképpen gyakoriak voltak az egyhurkos mennyiség, nyomás, szint, stb. szabályozások kompakt szabályozókészülékekkel, amelyekben megvalósult a szabályozott jellemző.

A technológiai folyamatok teljesítményének és bonyolultságának növekedése (pl. 50MW-ról 1000MW-ra nőtt az erőművi blokkok egységteljesítménye) megadja a célteljesítmény MW-ot. Így a gázturbina - az I&C (Instrumentation and Control) programjában lévő indítás lefutó vezérlés működésének megfelelően - 7-8 perc alatt (20-30 vezérlési lépést végrehajtva, 8-10 szabályozási kört megfelelő alapjellel ellátva) eléri a 170MW célterhelést, kompenzálva a hálózat termelés - fogyasztás egyensúlyi üzemzavarát. Az ilyen típusú feladatok megoldásához szükséges az irányítástechnikai tervező rendszerben az együttműködéshez szükséges szabályozási és vezérlési blokkok készletének megléte.

PID Szabályozók és Üzemmódok

Egy korszerű PID szabályozó áttekintő elvi sémája a komplexitás ellenére is az alapelvre épül. Lehetséges üzemmódjai közé tartozik az Automatikus (aut) üzemmód, amely kézi/aut üzemmód impulzus paranccsal állítható. Létezik szelepvezérlő (trace) üzemmód, belső alapjeles üzemmód és külső alapjeles üzemmód. A belső/külső alapjel üzemmód impulzus paranccsal állítható. A kézi vagy szelepvezérlés üzemmódokból az automatikus üzemmódba való lökésmentes átkapcsoláshoz szükséges, hogy a kézi üzemű - vagy programból jövő - szelepparancs jelet az automatika üzem parancstárolója kövesse.

Lefutó Vezérlések (Sequential Control)

A lefutó vezérlést és annak blokkjait az IEC61131 szabvány specifikálja. (A szabványra azért van szükség, hogy a különböző cégek (Siemens, ABB, Emerson, stb.) által szállított blokk készlet elemei hasonló módon lássák el a funkcióikat.) A lefutó vezérlés az üzemeltetés vezető idősorrendben egymásután következő, lépésszerű tevékenységeit valósítja meg az I&C alkalmazásával a technológiai folyamat kezelése céljából.

A lefutó vezérlésben az init blokk (fejblokk) az első, ez aktív az indítás előtt automatika üzemben. Az utolsó blokknak Transition logikának kell lennie, mert innen ugrik vissza a program az Init blokkra feladatának elvégzése után. A blokkok futási sorrendjét a lefutó vezérlés blokksémája rögzíti.

Az indító blokk (initblokk) kezeli a lefutó vezérlés kézi és automatika üzemállapotait. A transition blokkokba kell beírni a továbblépés logikáját. Egy step blokk az aktivizáló jelet a tov bemenetére kapja az előtte lévő transition blokkból. A step blokkhoz megadható egy várakozási idő. Ezen idő letelte után történik a továbblépés vizsgálata, ha a technológia így igényli. Például indulás után fix szelepállás (pl. ezután az 1. 10 perc leteltével a 2. A 3. 10 perc lejárta után a 4. Az irányítástechnikai program jelekkel dolgozik, amelyek egy funkcióazonosító kódból és egy jelkódból állnak. A szabályozó funkcióazonosító kódja 00GHC10DF001, az _XQ10 jelkód a 1. alapjelének értékét, az _XQ11 a 2. A 00GHC10EC001 lefutó vezérlés XS01 jele a szabályozót kézi üzembe kapcsolja, majd a 2. Egy perc eltelte után a 00GHC10EC001_XS03 azaz 3. 10 perc lejárta után a 00GHC10EC001_XS04 (4.

tags: #vezérlés #szabályozás #tantárgy #tételsor

• MABISZ minősítésű Chevrolet szervizek előnyei
• milyen olaj kell a Renault Laguna váltóba
• Garanciális Fiat alkatrészek
• Hibaelhárítási tippek a differenciálműhöz
• Ablakspriccelő motor hibaelhárítása Octavián