Kontrollsystem

Ein Steuersystem verwaltet, steuert, steuert oder regelt das Verhalten anderer Geräte oder Systeme mithilfe von Regelkreisen. Das Spektrum reicht von einem einzelnen Heizungsregler für den Hausgebrauch mit einem Thermostat, der einen Haushaltskessel steuert, bis zu großen industriellen Steuerungssystemen, die zur Steuerung von Prozessen oder Maschinen verwendet werden.

Bei einer kontinuierlich modulierten Steuerung wird eine Rückkopplungssteuerung verwendet, um einen Prozess oder Vorgang automatisch zu steuern. Das Steuersystem vergleicht den Wert oder Status der zu steuernden Prozessvariablen (PV) mit dem gewünschten Wert oder Sollwert (SP) und wendet die Differenz als Steuersignal an, um die Prozessvariablenausgabe der Anlage auf den gleichen Wert wie den Wert zu bringen Sollwert.

Für sequentielle und kombinatorische Logik wird Software-Logik verwendet, beispielsweise in einer speicherprogrammierbaren Steuerung.

Ziele
Die Kontrollsysteme müssen folgende Ziele erreichen:

Seien Sie stabil und robust gegen Störungen und Fehler in den Modellen.
Seien Sie nach einem festgelegten Kriterium effizient und vermeiden Sie abrupte und unwirkliche Verhaltensweisen.

Anforderungen an die Prozessüberwachung

Einschränkungen der Visualisierung der Erfassungs- und Kontrollsysteme.
Kontrolle vs. Prozessüberwachung
Steuerungssoftware. Regelkreis schließen.
Informationen sammeln, speichern und visualisieren.
Data Mining

Klassifizierung von Steuerungssystemen nach ihrem Verhalten und ihrer Messung
Steuerung: Auswahl der Eingänge eines Systems, so dass sich die Zustände oder Ausgänge auf eine gewünschte Weise ändern. Die Elemente sind:

Es ist immer vorhanden, die Erreichung der in der Planung festgelegten Ziele zu überprüfen.
Messung. Zur Kontrolle ist es wichtig, die Ergebnisse zu messen und zu quantifizieren.
Abweichungen erkennen. Eine der Funktionen der Kontrolle besteht darin, die Unterschiede zu ermitteln, die sich zwischen Ausführung und Planung ergeben.
Korrekturmaßnahmen festlegen. Gegenstand der Kontrolle ist es, Fehler vorherzusehen und zu korrigieren.
Kontrollfaktoren; Menge, Zeit, Kosten, Qualität.

Controller: (Elektronik). Es ist ein elektronisches Gerät, das die Kontrollfähigkeit von Menschen nachahmt. Mit vier Steueraktionen: vergleichen, berechnen, anpassen und begrenzen.

Prozess: Fortschreitend kontinuierlicher Betrieb oder natürliche Entwicklung, gekennzeichnet durch eine Reihe von allmählichen Änderungen, die relativ fest aufeinander folgen und zu einem bestimmten Ergebnis oder Zweck führen. Künstlicher oder freiwilliger progressiver Vorgang, bestehend aus einer Reihe von Aktionen oder kontrollierten Bewegungen, die systematisch auf ein bestimmtes Ergebnis oder einen bestimmten Zweck gerichtet sind. Beispiele: chemische, wirtschaftliche und biologische Prozesse.

Supervision: Beobachtung der Arbeit und Aufgaben einer anderen Person (Person oder Maschine), die das Thema möglicherweise nicht genau kennt.

System mit offenem Regelkreis
Es ist das System, bei dem nur der Prozess auf das Eingangssignal einwirkt und ein unabhängiges Ausgangssignal für das Eingangssignal ergibt, jedoch auf dem ersten basiert. Dies bedeutet, dass keine Rückmeldung an die Steuerung erfolgt, sodass die Steuerung die Steuerungsaktion anpassen kann. Das Ausgangssignal wird also nicht in ein Eingangssignal für die Steuerung umgewandelt.

Beispiel 1: Ein Tank mit einem Gartenschlauch. Solange der Schlüssel geöffnet bleibt, fließt das Wasser. Die Höhe des Wassers im Tank kann nicht dazu führen, dass sich der Schlüssel schließt, und dient daher nicht für einen Prozess, der eine Inhalts- oder Konzentrationskontrolle erfordert.
Beispiel 2: Beim Toasting steuern wir die Toastzeit selbst, indem Sie eine Variable eingeben (in diesem Fall den gewünschten Toastgrad). Kurz gesagt, die Zeit, die wir als Parameter einführen, ist.

Diese Systeme zeichnen sich aus durch:

Seien Sie einfach und leicht zu verstehen.
Nichts sorgt für Stabilität vor einer Störung.
Die Ausgabe kann nicht mit dem Eintrag verglichen werden.
Von Störungen betroffen sein. Diese können materiell oder immateriell sein.
Die Genauigkeit hängt von der vorherigen Kalibrierung des Systems ab.

Geschlossenes Regelungssystem
Dies sind die Systeme, bei denen die Steueraktion eine Funktion des Ausgangssignals ist. Systeme mit geschlossenem Regelkreis verwenden die Rückmeldung eines Endergebnisses, um die Steueraktion entsprechend anzupassen.

Die Steuerung im geschlossenen Regelkreis ist wesentlich, wenn einer der folgenden Umstände eintritt:

Wenn ein Prozess nicht durch den Menschen reguliert werden kann.
Eine Großserienproduktion, die große Anlagen erfordert und nicht von Menschen bedient werden kann.
Die Überwachung eines Prozesses ist in manchen Fällen besonders schwierig und erfordert Aufmerksamkeit, die der Mann durch Müdigkeit oder Entlassung leicht verlieren kann, mit den daraus folgenden Risiken, die den Arbeiter und den Prozess verursachen können.

Ihre Eigenschaften sind:

Seien Sie komplex, aber reich an Parametern.
Die Ausgabe wird mit der Eingabe verglichen und beeinflusst die Steuerung des Systems.
Ihre Eigenschaftsrückmeldung
Seien Sie stabiler gegen innere Störungen und Variationen.

Ein Beispiel für ein geschlossenes Regelungssystem ist der Heißwassertank, den wir zum Baden verwenden.

Ein anderes Beispiel wäre ein hochsensibler Level-Regler einer Einlage. Die Bewegung der Boje führt zu mehr oder weniger Behinderungen in einem Luft- oder Gasstrahl bei niedrigem Druck. Dies führt zu Druckänderungen, die sich auf das Ventil des Durchgangsventils auswirken, so dass es sich umso mehr öffnet, je näher Sie sich dem maximalen Pegel befinden.

Arten von Steuerungssystemen
Die Steuerungssysteme sind in drei Grundtypen unterteilt:

Von Menschen gemachte Kontrollsysteme
B. die elektrischen oder elektronischen Systeme, die permanent Signale des Zustands des Systems unter ihrer Kontrolle erfassen und das bei Feststellung einer Abweichung der vorab festgelegten Parameter des Normalbetriebs des Systems, mittels Sensoren und Aktuatoren wirken das System auf seine normalen Betriebsbedingungen zurück. Ein klares Beispiel dafür ist ein Thermostat, der Temperatursignale nacheinander erfasst. Sobald die Temperatur sinkt oder steigt und den Bereich verlässt, wird eine Kühl- oder Heizungsanlage eingeschaltet.

Durch ihre Kausalität können sie sein: kausal und nicht kausal
Ein System ist kausal, wenn ein kausaler Zusammenhang zwischen den Ausgaben und den Systemeingaben, genauer gesagt, zwischen den Ausgabe- und den zukünftigen Werten der Eingabe besteht.

Je nach Anzahl der Ein- und Ausgänge des Systems werden sie aufgerufen: durch ihr Verhalten

Von einem Eingang und Ausgang oder SISO (Einzeleingang, Einzelausgang).
Von einem Eingang und mehreren Ausgängen oder SIMO (einzelner Eingang, mehrfacher Ausgang).
Mehrere Eingänge und ein Ausgang oder MISO (mehrere Eingänge, einzelner Ausgang).
Mehrere Eingänge und mehrere Ausgänge oder MIMO (mehrere Eingänge, mehrere Ausgänge).

Entsprechend der Gleichung, die das System definiert, heißt es:

Linear, wenn die Differenzialgleichung, die sie definiert, linear ist.
Nichtlinear, wenn die Differenzialgleichung, die sie definiert, nichtlinear ist.

Die Signale oder Variablen der dynamischen Systeme sind eine Funktion der Zeit. Und danach sind diese Systeme:

Von kontinuierlicher Zeit, wenn das Modell des Systems eine Differentialgleichung ist und daher Zeit als unendlich teilbar betrachtet wird. Die Variablen der kontinuierlichen Zeit werden auch als analog bezeichnet.
Von diskreter Zeit, wenn das System durch eine Gleichung für Unterschiede definiert ist. Die Zeit wird in Perioden mit konstantem Wert unterteilt. Die Werte der Variablen sind digital (binäre, hexadezimale Systeme usw.), und ihre Werte sind nur in jeder Periode bekannt.
Von diskreten Ereignissen, wenn sich das System anhand von Variablen entwickelt, deren Wert bekannt ist, wenn ein bestimmtes Ereignis auftritt.

Entsprechend der Beziehung zwischen den Variablen der Systeme werden wir folgendes sagen:

Zwei Systeme sind gekoppelt, wenn die Variablen eines von ihnen mit denen des anderen Systems zusammenhängen.
Zwei Systeme sind entkoppelt, wenn die Variablen beider Systeme keine Beziehung haben.

Abhängig von der zeitlichen und räumlichen Entwicklung der Variablen eines Systems können diese sein:

Stationär, wenn seine Variablen zeitlich und räumlich konstant sind.
Nicht stationär, wenn ihre Variablen nicht zeitlich oder räumlich konstant sind.

Entsprechend der Antwort des Systems (Wert der Ausgabe) in Bezug auf die Variation der Systemeingabe:

Das System gilt als stabil, wenn ein eingeschränktes Eingangssignal eine begrenzte Antwort des Ausgangs erzeugt.
Das System gilt als instabil, wenn mindestens ein eingeschränkter Eintrag vorhanden ist, der eine unbegrenzte Antwort auf die Ausgabe erzeugt.

Wenn sie den Ein- und Ausgang eines Systems vergleichen oder nicht, wird das System zur Steuerung des Systems aufgerufen:

Das System mit offenem Regelkreis, wenn der zu steuernde Ausgang nicht mit dem Wert des Eingangssignals oder des Referenzsignals verglichen werden kann.
System-Closed-Loop, wenn der zu steuernde Ausgang mit dem Referenzsignal verglichen wird. Das Ausgangssignal wird von dem zu vergleichenden Eingangssignal übertragen, wird als Signalrückkopplung oder Rückkopplung bezeichnet.

Abhängig von der Möglichkeit, das Verhalten eines Systems vorherzusagen, das heißt seine Reaktion, werden sie klassifiziert als:

Deterministisches System, wenn sein zukünftiges Verhalten innerhalb der Toleranzgrenzen vorhersagbar ist.
Stochastisches System, wenn das zukünftige Verhalten nicht vorhergesagt werden kann. Die Systemvariablen werden als zufällig bezeichnet.

Natürliche Kontrollsysteme
Natürliche Kontrollsysteme, einschließlich biologischer Systeme. Zum Beispiel, Bewegungen des menschlichen Körpers als der Vorgang des Anzeigens eines Objekts, das Augen, Arm, Hand, Finger und Gehirn des Menschen als Komponenten des biologischen Kontrollsystems umfasst. Am Eingang wird die Bewegung verarbeitet und der Ausgang ist die Richtung, auf die Bezug genommen wird.

Mischkontrollsysteme
Mischsteuerungssysteme, deren Komponenten vom Menschen und den anderen hergestellt werden, sind natürlich. Es ist das Steuersystem eines Mannes, der sein Fahrzeug fährt. Dieses System besteht aus den Augen, den Händen, dem Gehirn und dem Fahrzeug. Der Eingang zeigt sich in der Richtung, in die der Fahrer der Straße folgen muss, und der Ausgang ist die aktuelle Richtung des Autos. Ein anderes Beispiel können die Entscheidungen eines Politikers vor einer Wahl sein. Dieses System besteht aus Augen, Gehirn, Ohren und Mund. Der Einstieg manifestiert sich in den Versprechen des Politikers und der Ausstieg ist der Grad der Akzeptanz des Vorschlags durch die Bevölkerung.

Ein Steuersystem kann pneumatisch, elektrisch, mechanisch oder von einem beliebigen Typ sein. Seine Funktion besteht darin, Eingaben zu empfangen und eine oder mehrere Antworten entsprechend seinem Regelkreis (für das, was programmiert ist) zu koordinieren.

Vorausschauende Steuerung sind die Steuersysteme, die mit einem Vorhersagesystem arbeiten und nicht wie üblich aktiv sind (führen Sie die Lösung des Problems aus, bevor es den Prozess beeinflusst). Auf diese Weise verbessert es die Effizienz des Prozesses, indem es den Auswirkungen schnell entgegenwirkt.

Steuerung und Regelung
Es gibt zwei gängige Steuerungsklassen: offene und geschlossene Schleife. In einem Steuerungssystem ist die Steuerungsaktion von der Steuerung unabhängig von der Prozessvariablen. Ein Beispiel dafür ist ein Heizkessel, der nur von einer Zeitschaltuhr gesteuert wird. Die Steueraktion ist das Ein- oder Ausschalten des Kessels. Die Prozessvariable ist die Gebäudetemperatur. Dieser Regler steuert die Heizungsanlage unabhängig von der Temperatur des Gebäudes für eine konstante Zeit.

In einem Regelungssystem ist die Steuerungsaktion von der Steuerung abhängig von der gewünschten und der tatsächlichen Prozessgröße. Bei der Kesselanalogie würde dies einen Thermostat zur Überwachung der Gebäudetemperatur verwenden und ein Signal zurückmelden, um sicherzustellen, dass der Reglerausgang die Gebäudetemperatur nahe an der auf dem Thermostat eingestellten Temperatur hält. Ein Regler verfügt über eine Rückkopplungsschleife, die sicherstellt, dass der Regler eine Steuerungsaktion ausführt, um eine Prozessvariable auf denselben Wert wie den Sollwert zu steuern. Aus diesem Grund werden Regler auch als Rückkopplungsregler bezeichnet.

Feedback-Kontrollsysteme
Bei linearen Rückkopplungssystemen ist ein Regelkreis mit Sensoren, Regelalgorithmen und Stellgliedern angeordnet, um eine Variable auf einen Sollwert (SP) zu regeln. Ein alltägliches Beispiel ist der Tempomat eines Straßenfahrzeugs; wo äußere Einflüsse wie Steigungen Geschwindigkeitsänderungen verursachen würden und der Fahrer die gewünschte Sollgeschwindigkeit ändern kann. Der PID-Algorithmus in der Steuerung stellt die Ist-Geschwindigkeit mit minimaler Verzögerung oder Überschreitung optimal auf die gewünschte Geschwindigkeit durch Steuern der Motorleistung des Fahrzeugs wieder her.

Steuersysteme, die ein gewisses Erkennen der Ergebnisse enthalten, die sie zu erreichen versuchen, nutzen Feedback und können sich in gewissem Umfang an unterschiedliche Umstände anpassen. Steuerungssysteme verwenden kein Feedback und laufen nur auf vorab vereinbarte Weise.

Logiksteuerung
Logiksteuersysteme für industrielle und kommerzielle Maschinen wurden in der Vergangenheit durch miteinander verbundene elektrische Relais und Nockenschaltuhren unter Verwendung der Kontaktplanlogik implementiert. Heutzutage sind die meisten dieser Systeme mit Mikrocontrollern oder spezielleren speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) aufgebaut. Die Notation der Kontaktplanlogik wird weiterhin als Programmiermethode für SPS verwendet.

Logiksteuerungen können auf Schalter und Sensoren ansprechen und die Maschine dazu veranlassen, verschiedene Vorgänge durch die Verwendung von Stellgliedern zu starten und zu stoppen. Logiksteuerungen werden in vielen Anwendungen zur Sequenzierung mechanischer Operationen verwendet. Beispiele hierfür sind Aufzüge, Waschmaschinen und andere Systeme mit miteinander verbundenen Vorgängen. Ein automatisches Ablaufsteuerungssystem kann eine Reihe von mechanischen Stellgliedern in der richtigen Reihenfolge auslösen, um eine Aufgabe auszuführen. Beispielsweise können verschiedene elektrische und pneumatische Wandler einen Karton falten und verkleben, mit Produkt füllen und dann in einer automatischen Verpackungsmaschine verschließen.

SPS-Software kann auf viele verschiedene Arten geschrieben werden – Kontaktpläne, SFC (sequentielle Funktionspläne) oder Anweisungslisten.

Ein-Aus-Steuerung
Ein Thermostat kann als Bang-Bang-Controller bezeichnet werden. Wenn die Temperatur PV unter einen SP fällt, wird der Heizer eingeschaltet. Ein anderes Beispiel könnte ein Druckschalter an einem Luftkompressor sein. Wenn der Druck PV unter den Sollwert SP fällt, wird die Pumpe mit Strom versorgt. Kühlschränke und Vakuumpumpen enthalten ähnliche Mechanismen.

Einfache Ein-Aus-Steuersysteme wie diese sind kostengünstig und effektiv.

Lineare Steuerung
Lineare Steuersysteme verwenden eine lineare Gegenkopplung, um ein Steuersignal zu erzeugen, um die geregelte Prozessgröße (PV) auf dem gewünschten Sollwert (SP) zu halten.

Proportionalsteuerung
Die Proportionalsteuerung ist eine Art lineares Rückkopplungsregelungssystem, bei dem die Regelgröße korrigiert wird, die proportional zur Differenz zwischen dem gewünschten Wert (Sollwert – SP) und dem gemessenen Wert (Prozesswert – PV) ist. Zwei klassische mechanische Beispiele sind das Schwimmer-Dosierventil für die Toilettenschüssel und der Fly-Ball-Regler.

Das Proportionalsteuersystem ist komplexer als ein Ein-Aus-Steuersystem wie ein bi-metallischer Haushaltsthermostat, jedoch einfacher als ein PID-Steuersystem (Proportional-Integral-Differential (PID)), das beispielsweise in einem Tempomat verwendet wird. Die On-Off-Steuerung funktioniert im Vergleich zur Gesamtreaktionszeit des Systems über einen längeren Zeitraum hinweg recht gut, ist jedoch für schnelle und rechtzeitige Korrekturen und Reaktionen nicht effektiv. Die proportionale Steuerung überwindet dies, indem der Ausgang der Steuervorrichtung moduliert wird, beispielsweise ein Steuerventil, und zwar so, dass eine Instabilität vermieden wird, die Korrektur wird jedoch so schnell wie möglich durchgeführt, indem die optimale proportionale Korrekturgröße angewendet wird.

Ein Nachteil der Proportionalsteuerung besteht darin, dass der verbleibende SP-PV-Fehler nicht beseitigt werden kann, da zur Erzeugung eines proportionalen Ausgangs ein Fehler erforderlich ist. Um dies zu überwinden, wurde der PI-Regler entwickelt, der einen proportionalen Term (P) zum Entfernen des Gesamtfehlers und einen Integralausdruck (I) zum Beseitigen des Restversatzfehlers verwendet, indem der Fehler über die Zeit integriert wird, um eine „I“ -Komponente zu erzeugen der Reglerausgang.

In einigen Systemen gibt es praktische Grenzen für den Bereich der Stellgröße (MV). Zum Beispiel kann eine Heizung ausgeschaltet oder vollständig eingeschaltet sein oder ein Ventil kann geschlossen oder vollständig geöffnet sein. Anpassungen der Verstärkung ändern gleichzeitig den Bereich der Fehlerwerte, über den sich der MV zwischen diesen Grenzen befindet. Die Breite dieses Bereichs in Einheiten der Fehlervariable und daher des PV wird als Proportionalband (PB) bezeichnet, das die Umkehrung der Proportionalverstärkung ist. Während die Verstärkung in mathematischen Behandlungen nützlich ist, wird in praktischen Situationen häufig auf das Proportionalband Bezug genommen.

Ofen Beispiel
Bei der Steuerung der Temperatur eines Industrieofens ist es normalerweise besser, die Öffnung des Brennstoffventils proportional zu den aktuellen Anforderungen des Ofens zu steuern. Dies hilft, Wärmestöße zu vermeiden und Wärme effektiver aufzubringen.

Bei geringen Verstärkungen wird nur eine kleine Korrekturmaßnahme angewendet, wenn Fehler erkannt werden. Das System kann sicher und stabil sein, kann jedoch als Reaktion auf sich ändernde Bedingungen träge sein. Fehler werden über längere Zeiträume nicht korrigiert und das System ist übermäßig gedämpft. Wenn die Proportionalverstärkung erhöht wird, reagieren solche Systeme schneller, und Fehler werden schneller behoben. Es gibt einen optimalen Wert für die Verstärkungseinstellung, wenn das Gesamtsystem kritisch gedämpft sein soll. Erhöhungen der Schleifenverstärkung über diesen Punkt hinaus führen zu Schwingungen in der PV und ein solches System ist unterdämpft.

Underdamped
Angenommen, die Temperatur steigt in dem Ofenbeispiel auf einen Sollwert an, bei dem beispielsweise 50% der verfügbaren Leistung für den stationären Zustand erforderlich sind. Bei niedrigen Temperaturen werden 100% der verfügbaren Leistung angewendet. Wenn der Prozesswert (PV) innerhalb von beispielsweise 10 ° des SP liegt, beginnt die Wärmezufuhr durch den Proportionalregler zu sinken. Dies bedeutet ein Proportionalband (PB) von 20 ° von voller bis keiner Leistungsaufnahme, das gleichmäßig um den Sollwert verteilt ist. Am Sollwert wird der Regler je nach Bedarf 50% Leistung aufbringen, aber die im Heizsystem und in den Wänden des Ofens gespeicherte Wärme wird die gemessene Temperatur über das erforderliche Maß hinaus ansteigen lassen. Bei 10 ° über SP erreichen wir die Spitze des Proportionalbandes (PB) und es wird keine Leistung angelegt, aber die Temperatur steigt möglicherweise noch weiter an, bevor sie wieder zu fallen beginnt. Wenn die PV wieder in das PB zurückfällt, wird die Wärme erneut aufgebracht, aber jetzt sind der Ofen und die Ofenwände zu kühl und die Temperatur fällt zu niedrig, bevor der Abfall aufgehoben wird, so dass die Schwingungen anhalten.

Die Temperaturschwankungen, die ein unterdämmtes Ofensteuersystem erzeugt, sind aus vielen Gründen nicht akzeptabel, einschließlich der Verschwendung von Brennstoff und Zeit (jeder Schwingungszyklus kann viele Minuten dauern) sowie der Wahrscheinlichkeit, dass der Ofen und sein Inhalt ernsthaft überhitzt werden.

Übergedämpft
Angenommen, die Verstärkung des Steuersystems wird drastisch reduziert und es wird neu gestartet. Wenn sich die Temperatur annähernd 30 ° unter SP (diesmal A 60 ° Proportionalband (PB)) nähert, beginnt der Wärmeeintrag zu sinken, die Aufheizgeschwindigkeit des Ofens hat Zeit, sich zu verlangsamen, und da die Wärme noch weiter ist reduziert wird, wird er schließlich auf den Sollwert gebracht, sobald die Leistungsaufnahme von 50% erreicht ist und der Ofen wie gewünscht arbeitet. Es gab einige Zeitverschwendung, während der Ofen auf seine Endtemperatur herabkroch und nur 52% der verfügbaren Leistung und dann 51% der verfügbaren Leistung verwendete, aber es wurde zumindest kein Schaden angerichtet. Durch vorsichtiges Erhöhen der Verstärkung (dh Verringern der Breite des PB) kann dieses überdämpfte und träge Verhalten verbessert werden, bis das System für diese SP-Temperatur kritisch gedämpft wird. Dies wird als „Tuning“ des Steuersystems bezeichnet. Ein gut abgestimmtes proportionales Ofentemperatursteuersystem ist normalerweise effektiver als die Ein / Aus-Steuerung, reagiert aber immer noch langsamer als der Ofen unter geschickter manueller Steuerung.

PID-Regelung
Abgesehen von der schleppenden Leistung zur Vermeidung von Oszillationen besteht ein Problem der reinen Proportionalsteuerung darin, dass die Leistungsanwendung immer direkt proportional zu dem Fehler ist. Im obigen Beispiel haben wir angenommen, dass die eingestellte Temperatur mit 50% Leistung gehalten werden kann. Was passiert, wenn der Ofen in einer anderen Anwendung benötigt wird, wo eine höhere Solltemperatur 80% Leistung erfordert, um ihn aufrechtzuerhalten? Wenn die Verstärkung schließlich auf 50 ° PB eingestellt wurde, werden 80% Leistung nicht angewendet, es sei denn, der Ofen liegt 15 ° unter dem Sollwert. Daher müssen die Bediener bei dieser anderen Anwendung immer die Solltemperatur um 15 ° höher als einstellen eigentlich gebraucht Diese Zahl von 15 ° ist auch nicht völlig konstant: Sie hängt von der Umgebungstemperatur und anderen Faktoren ab, die den Wärmeverlust oder die Absorption im Ofen beeinflussen.

Um diese beiden Probleme zu lösen, enthalten viele Regelkreise mathematische Erweiterungen, um die Leistung zu verbessern. Die häufigsten Erweiterungen führen zu einer Proportional-Integral-Differential-Steuerung oder PID-Steuerung.

Ableitungsaktion
Der abgeleitete Teil befasst sich mit der Änderungsrate des Fehlers mit der Zeit: Wenn sich die Messgröße schnell dem Sollwert nähert, wird der Aktuator vorzeitig zurückgefahren, damit er auf das erforderliche Niveau ausrollen kann; Wenn sich der gemessene Wert dagegen schnell vom Sollwert weg bewegt, wird – im Verhältnis zu dieser Schnelligkeit – eine zusätzliche Anstrengung unternommen, um zu versuchen, ihn zu halten.

Durch abgeleitete Maßnahmen verhält sich ein Steuersystem viel intelligenter. Bei Steuersystemen wie dem Einstellen der Temperatur eines Ofens oder vielleicht der Bewegungssteuerung eines schweren Gegenstands wie einer Waffe oder einer Kamera an einem sich bewegenden Fahrzeug kann die abgeleitete Aktion eines gut abgestimmten PID-Reglers dazu führen, dass dieser erreicht und aufrechterhalten wird ein besserer Sollwert als die meisten erfahrenen menschlichen Bediener.

Wenn die abgeleitete Wirkung zu stark angewendet wird, kann dies ebenfalls zu Schwingungen führen. Ein Beispiel wäre ein PV, der schnell in Richtung SP stieg, dann früh anhielt und vom Sollwert „scheut“, bevor er wieder in Richtung des Sollwerts stieg.

Integrale Aktion
Der Integralausdruck vergrößert die Auswirkung langfristiger Beharrungszustandsfehler, wobei er mit zunehmender Anstrengung zunimmt, bis er auf null zurückgeht. Wenn im obigen Beispiel des Ofens bei verschiedenen Temperaturen gearbeitet wird und der Ofen aus verschiedenen Gründen nicht auf den Sollwert gebracht wird, wird der Proportionalbereich zunehmend durch den Integralwert relativ zum Sollwert verschoben, bis der PV-Fehler auf null und zurückgeht der Sollwert ist erreicht.

Anstieg pro Minute
Einige Controller bieten die Option, den „Anstieg pro Minute“ zu begrenzen. Diese Option kann sehr hilfreich sein, um kleine Boiler (3 MBTUH) zu stabilisieren, vor allem im Sommer bei geringer Belastung. Es kann erforderlich sein, dass eine Einheit mit Heizkessel die Last mit einer Rate von bis zu 5% pro Minute ändert (IEA Coal Online – 2, 2007).

Andere Techniken
Es ist möglich, das PV- oder Fehlersignal zu filtern. Dadurch kann die Reaktion des Systems auf unerwünschte Frequenzen reduziert werden, um Instabilität oder Oszillationen zu reduzieren. Einige Rückkopplungssysteme schwingen nur bei einer Frequenz. Durch Herausfiltern dieser Frequenz kann eine „steifere“ Rückkopplung angewendet werden, wodurch das System reaktionsfreudiger wird, ohne sich selbst zu erschüttern.

Feedback-Systeme können kombiniert werden. Bei der Kaskadenregelung wendet ein Regelkreis Regelalgorithmen auf eine Messgröße gegen einen Sollwert an, liefert jedoch einen anderen Sollwert an einen anderen Regelkreis, anstatt Prozessvariablen direkt zu beeinflussen. Wenn ein System mehrere verschiedene Messgrößen hat, die gesteuert werden sollen, sind für jede von ihnen separate Steuersysteme vorhanden.

In vielen Anwendungen der Steuerungstechnik werden Steuersysteme produziert, die komplexer sind als die PID-Steuerung. Beispiele für solche Felder sind Fly-by-Wire-Flugzeugsteuerungssysteme, chemische Anlagen und Ölraffinerien. Modellvorhersagesteuerungssysteme werden unter Verwendung spezieller computergestützter Entwurfssoftware und empirischer mathematischer Modelle des zu steuernden Systems entworfen.

Hybridsysteme der PID- und Logiksteuerung sind weit verbreitet. Die Ausgabe von einer linearen Steuerung kann zum Beispiel durch Logik verriegelt werden.

Fuzzy-Logik
Die Fuzzy-Logik ist ein Versuch, das einfache Design von Logiksteuerungen auf die Steuerung komplexer, kontinuierlich variierender Systeme anzuwenden. Grundsätzlich kann eine Messung in einem Fuzzy-Logik-System teilweise wahr sein, dh wenn Ja 1 ist und Nein 0 ist, kann eine Fuzzy-Messung zwischen 0 und 1 liegen.

Die Regeln des Systems sind in natürlicher Sprache geschrieben und in Fuzzy-Logik übersetzt. Zum Beispiel würde der Entwurf eines Ofens mit folgendem beginnen: „Wenn die Temperatur zu hoch ist, reduzieren Sie den Brennstoff zum Ofen. Wenn die Temperatur zu niedrig ist, erhöhen Sie den Brennstoff zum Ofen.“

Messungen aus der realen Welt (z. B. die Temperatur eines Ofens) werden in Werte zwischen 0 und 1 umgerechnet, indem sie sehen, wo sie auf ein Dreieck fallen. Normalerweise ist die Spitze des Dreiecks der maximal mögliche Wert, der in 1 übersetzt wird.

Die Fuzzy-Logik modifiziert dann die Boolesche Logik in Arithmetik. Normalerweise ist die „Nicht“ – Operation „Ausgang = 1 – Eingang“, „Die“ und „Operation ist“ Ausgang = Eingang.1 multipliziert mit Eingang 2, „und“ oder „ist“ Ausgang = 1 – ((1 – Eingang. 1) multipliziert mit (1 – input.2)) „. Dies reduziert die Boolesche Arithmetik, wenn die Werte auf 0 und 1 beschränkt sind und nicht im Einheitsintervall [0,1] liegen dürfen.

Der letzte Schritt besteht darin, eine Ausgabe zu „defuzzifizieren“. Grundsätzlich machen die Fuzzy-Berechnungen einen Wert zwischen Null und Eins. Diese Zahl wird verwendet, um einen Wert in einer Zeile auszuwählen, dessen Neigung und Höhe den Fuzzy-Wert in eine reale Ausgangsnummer umwandelt. Die Nummer steuert dann die realen Maschinen.

Wenn die Dreiecke richtig definiert sind und die Regeln stimmen, kann das Ergebnis ein gutes Kontrollsystem sein.

Wenn ein robustes Fuzzy-Design zu einer einzigen, schnellen Berechnung reduziert wird, ähnelt es einer herkömmlichen Rückkopplungsschleifenlösung, und es scheint, dass das Fuzzy-Design nicht erforderlich war. Das Fuzzy-Logic-Paradigma kann jedoch Skalierbarkeit für große Steuersysteme bereitstellen, bei denen herkömmliche Verfahren schwerfällig oder kostspielig werden.

Fuzzy-Elektronik ist eine elektronische Technologie, die Fuzzy-Logik anstelle der Zwei-Wert-Logik verwendet, die in der digitalen Elektronik häufiger verwendet wird.

Physische Implementierung
Der Umfang der Implementierung reicht von kompakten Steuerungen, oft mit dedizierter Software für eine bestimmte Maschine oder ein bestimmtes Gerät, bis hin zu verteilten Steuersystemen für die industrielle Prozesssteuerung.

Logiksysteme und Rückkopplungssteuerungen werden normalerweise mit programmierbaren Logiksteuerungen implementiert.