Система контроля

Система управления управляет, управляет, управляет или регулирует поведение других устройств или систем с помощью контуров управления. Он может варьироваться от одного контроллера отопления дома с помощью термостата, управляющего внутренним котлом, до крупных промышленных систем управления, которые используются для управления процессами или машинами.

Для непрерывного модульного управления контроллер обратной связи используется для автоматического управления процессом или работой. Система управления сравнивает значение или состояние управляемой переменной (PV) с требуемым значением или уставкой (SP) и применяет разницу в качестве управляющего сигнала, чтобы привести переменную технологического процесса на выходе установки к тому же значению, что и заданное значение.

Для последовательной и комбинационной логики используется программная логика, например, в программируемом логическом контроллере.

Цели
Системы управления должны достичь следующих целей:

Будьте устойчивы и надежны против возмущений и ошибок в моделях.
Будьте эффективны в соответствии с заранее установленным критерием, избегающим резкого и нереального поведения.

Потребности в технологическом надзоре

Ограничения визуализации систем сбора и контроля.
Контроль и контроль процесса
Программное обеспечение для управления. Закрытие контура управления.
Собирайте, храните и визуализируйте информацию.
Сбор данных.

Классификация систем управления в соответствии с их поведением и измерением
Управление: выбор входов системы так, чтобы состояния или выходы изменялись по желанию. Элементы:

Он всегда существует для проверки достижения целей, установленных при планировании.
Измерение. Для контроля важно измерять и количественно оценивать результаты.
Обнаружить отклонения. Одной из неотъемлемых функций контроля является выявление различий, возникающих между выполнением и планированием.
Установите корректирующие меры. Объектом контроля является предвидеть и исправлять ошибки.
Контрольные факторы; Количество, время, стоимость, качество.

Контроллер: (Электроника). Это электронное устройство, которое эмулирует способность людей осуществлять контроль. С помощью четырех управляющих действий: сравнить, рассчитать, настроить и ограничить.

Процесс: постепенная непрерывная работа или естественное развитие, отмеченная последовательными изменениями, которые следуют друг за другом относительно определенным образом и приводят к определенному результату или цели. Искусственная или добровольная прогрессивная операция, состоящая из серии действий или контролируемых движений, систематически направленных на конкретный результат или цель. Примеры: химические, экономические и биологические процессы.

Надзор: акт наблюдения за работой и задачами другого (индивидуального или машинного), который может не знать предмета в глубину.

Система управления с открытым контуром
Это система, в которой только процесс действует на входной сигнал и приводит к независимому выходному сигналу к входному сигналу, но на основе первого. Это означает, что нет обратной связи с контроллером, чтобы контроллер мог регулировать действие управления. То есть выходной сигнал не преобразуется во входной сигнал контроллера.

Пример 1: резервуар с садовым шлангом. Пока ключ остается открытым, вода будет течь. Высота воды в баке не может привести к закрытию ключа и, следовательно, не служит нам для процесса, который требует контроля содержания или концентрации.
Пример 2. Когда вы делаете тост, то, что мы делаем, это контролировать время жарения самого себя, введя переменную (в данном случае желаемую степень поджаривания). Короче говоря, тот, который мы вводим в качестве параметра, — это время.

Эти системы характеризуются:

Будьте просты и понятны.
Ничто не гарантирует его стабильность перед помехой.
Выход не сравнивается с входом.
Воздействуйте на нарушения. Они могут быть материальными или неосязаемыми.
Точность зависит от предыдущей калибровки системы.

Система управления замкнутым контуром
Это системы, в которых управляющее действие является функцией выходного сигнала. Системы замкнутого контура используют обратную связь от конечного результата, чтобы соответствующим образом регулировать действие управления.

Контроль в замкнутом цикле необходим при возникновении одного из следующих обстоятельств:

Когда процесс не может регулироваться человеком.
Крупномасштабное производство, которое требует больших объектов и человека, не способно обрабатывать.
Мониторинг процесса особенно затруднен в некоторых случаях и требует внимания, которое человек может легко потерять из-за усталости или увольнения, с вытекающими из этого рисками, которые могут вызвать рабочий и процесс.

Их характеристики:

Быть сложным, но широким по количеству параметров.
Выход сравнивается с входом и влияет на управление системой.
Обратная связь.
Будьте более устойчивы к внутренним нарушениям и вариациям.

Примером системы управления с замкнутым контуром будет резервуар для горячей воды, который мы используем для купания.

Другим примером может быть высокочувствительный регулятор уровня депозита. Движение буя создает более или менее препятствие в струе воздуха или газа при низком давлении. Это приводит к изменениям давления, которые влияют на клапан проходного клапана, заставляя его открывать больше, чем ближе вы к максимальному уровню.

Типы систем управления
Системы управления сгруппированы в три основных типа:

Человеческие системы управления
Подобно электрическим или электронным системам, которые постоянно фиксируют сигналы состояния системы под их контролем и что при обнаружении отклонения предварительно установленных параметров нормальной работы системы действуют с помощью датчиков и исполнительных механизмов, принимать система возвращается к своим эксплуатационным условиям, нормально работающим. Ярким примером этого будет термостат, который последовательно фиксирует сигналы температуры. Как только температура падает или поднимается и выходит за пределы допустимого диапазона, она работает путем освещения системы охлаждения или обогрева.

По своей причинности они могут быть: причинным, а не причинным
Система является причинной, если между выводами и системными входами, в явном виде, есть причинно-следственная связь между выходными и будущими значениями ввода.

В соответствии с количеством входов и выходов системы они называются: по их поведению

От входа и выхода или SISO (одиночный вход, одиночный выход).
Из одного входа и нескольких выходов или SIMO (один вход, несколько выходов).
Из нескольких входов и одного выхода или MISO (с несколькими входами, с одним выходом).
Из нескольких входов и нескольких выходов или MIMO (множественный вход, несколько выходов).

Согласно уравнению, которое определяет систему, оно называется:

Линейный, если дифференциальное уравнение, определяющее его, линейно.
Нелинейно, если дифференциальное уравнение, определяющее его, является нелинейным.

Сигналы или переменные динамических систем являются функцией времени. И в соответствии с этим эти системы:

Из непрерывного времени, если модель системы является дифференциальным уравнением, и поэтому время считается бесконечно делимым. Переменные непрерывного времени также называются аналоговыми.
Дискретного времени, если система определяется уравнением для различий. Время считается разделенным на периоды постоянного значения. Значения переменных являются цифровыми (двоичные, шестнадцатеричные системы и т. Д.), И их значение известно только в каждый период.
Дискретных событий, если система развивается в соответствии с переменными, значение которых известно, когда происходит определенное событие.

Согласно взаимосвязи между переменными систем, мы скажем, что:

Две системы связаны, когда переменные одного из них связаны с переменными другой системы.
Две системы разделены, если переменные обеих систем не имеют отношения.

В зависимости от эволюции переменных системы во времени и пространстве они могут быть:

Стационарная, когда ее переменные постоянны во времени и пространстве.
Не стационарно, когда их переменные не постоянны во времени или пространстве.

В соответствии с ответом системы (значение выхода) относительно изменения входного сигнала системы:

Система считается стабильной, когда любой ограниченный входной сигнал создает ограниченный отклик выхода.
Система считается нестабильной, когда имеется хотя бы одна ограниченная запись, которая создает неограниченный ответ на выход.

Если они сравниваются или нет, вход и выход системы, чтобы управлять последним, система называется:

Система разомкнутого контура, когда выходной сигнал будет контролироваться, не сравнить со значением входного сигнала или опорного сигнала.
Системный замкнутый контур, когда контролируемый выход сравнивается с опорным сигналом. Выходной сигнал переносится входным сигналом для сравнения, называется обратной связью сигнала или обратной связью.

В зависимости от возможности прогнозирования поведения системы, то есть ее ответа, они классифицируются как:

Детерминированная система, когда ее будущее поведение предсказуемо в пределах допустимых пределов.
Стохастическая система, если невозможно предсказать будущее поведение. Системные переменные называются случайными.

Системы естественного контроля
Системы естественного контроля, включая биологические системы. Например, движения человеческого тела как акт указания объекта, который включает в себя компоненты биологической системы управления глазами, рукой, рукой, пальцем и мозгом человека. На входе движение обрабатывается, и выход — это направление, на которое делается ссылка.

Системы управления смешиванием
Системы управления смешиванием, компоненты которых изготовлены человеком и другими, являются естественными. Это управляющая система человека, который управляет своим транспортным средством. Эта система состоит из глаз, рук, мозга и транспортного средства. Вход проявляется в том направлении, в котором водитель должен следовать по дороге, а выход — текущее направление автомобиля. Другим примером могут быть решения, принятые политиком перед выборами. Эта система состоит из глаз, мозга, ушей, рта. Вход проявляется в обещаниях, объявленных политиком, а выход — степень принятия предложения населением.

Система управления может быть пневматической, электрической, механической или любого типа, ее функция заключается в получении входов и координации одного или нескольких ответов в соответствии с его контуром управления (для того, что запрограммировано).

Предиктивный контроль — это системы управления, которые работают с системой прогнозирования и не являются активными как традиционные (выполнить решение проблемы до того, как она начнет влиять на процесс). Таким образом, это повышает эффективность процесса, быстро противодействуя эффектам.

Управление с разомкнутым контуром и замкнутым контуром
Существует два общих класса управляющих действий: открытый цикл и замкнутый контур. В системе управления с открытым контуром управление от контроллера не зависит от переменной процесса. Примером этого является котел центрального отопления, управляемый только таймером. Управляющим действием является включение или выключение котла. Переменная процесса — это температура здания. Этот контроллер управляет системой отопления в течение постоянного времени, независимо от температуры здания.

В замкнутой системе управления действие управления от контроллера зависит от желаемой и фактической переменной процесса. В случае аналогии с котлом это будет использовать термостат для контроля температуры здания и подачи сигнала, чтобы гарантировать, что выход контроллера поддерживает температуру здания, близкую к установленной на термостате. Контроллер с замкнутым контуром имеет контур обратной связи, который гарантирует, что контроллер выполняет управляющее действие для управления переменной процесса с тем же значением, что и заданное значение. По этой причине контроллеры с замкнутым контуром также называются контроллерами обратной связи.

Системы контроля обратной связи
В случае систем с линейной обратной связью контур управления, включающий датчики, алгоритмы управления и исполнительные механизмы, устроен в попытке регулировать переменную с заданным значением (SP). Ежедневный пример — круиз-контроль на дорожном транспортном средстве; где внешние воздействия, такие как градиенты, будут приводить к изменениям скорости, а водитель имеет возможность изменять желаемую установленную скорость. ПИД-алгоритм в контроллере восстанавливает фактическую скорость до желаемой скорости оптимальным образом, с минимальной задержкой или перерегулированием, путем управления выходной мощностью двигателя автомобиля.

Системы управления, которые включают в себя некоторое восприятие результатов, которые они пытаются достичь, используют обратную связь и могут в некоторой степени адаптироваться к различным обстоятельствам. Системы управления с открытым контуром не используют обратную связь и работают только заранее.

Логический контроль
Логические системы управления для промышленной и коммерческой техники исторически были реализованы взаимосвязанными электрическими реле и таймерами таймера с использованием логики лестниц. Сегодня большинство таких систем построены с помощью микроконтроллеров или более специализированных программируемых логических контроллеров (ПЛК). Обозначение логики лестницы все еще используется в качестве метода программирования для ПЛК.

Логические контроллеры могут реагировать на переключатели и датчики и могут заставить машины запускать и останавливать различные операции с помощью исполнительных механизмов. Логические контроллеры используются для последовательности механических операций во многих приложениях. Примеры включают лифты, стиральные машины и другие системы с взаимосвязанными операциями. Автоматическая система последовательного управления может запускать ряд механических исполнительных механизмов 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 автоматической упаковочной машине.

Программное обеспечение ПЛК может быть написано по-разному: лестничные диаграммы, SFC (последовательные функциональные диаграммы) или списки операторов.

Управление выключением
Термостат можно описать как контроллер взрыва. Когда температура, PV, опускается ниже SP, нагреватель включается. Другим примером может быть реле давления на воздушном компрессоре. Когда давление, PV, опускается ниже заданного значения, SP, насос работает. Холодильники и вакуумные насосы содержат аналогичные механизмы.

Простые системы включения-выключения, подобные этим, являются дешевыми и эффективными.

Линейное управление
Линейные системы управления используют линейную отрицательную обратную связь для получения управляющего сигнала для поддержания управляемой переменной процесса (PV) с требуемой уставкой (SP).

Пропорциональный контроль
Пропорциональное управление — это тип системы управления линейной обратной связью, в которой исправление применяется к регулируемой переменной, которая пропорциональна разности между желаемым значением (уставка — SP) и измеренным значением (значение процесса — PV). Двумя классическими механическими примерами являются дозирующий клапан для унитаза и регулятор fly-ball.

Система пропорционального управления является более сложной, чем система контроля включения-выключения, например, биметаллический внутренний термостат, но более простой, чем система управления пропорциональным интегралом (PID), используемая в чем-то вроде автомобильного круиз-контроля. Включение-выключение будет работать в конечном итоге, в течение длительного времени по сравнению с общим временем отклика системы, но не эффективно для быстрых и своевременных исправлений и ответов. Пропорциональное управление преодолевает это путем модуляции выхода на управляющее устройство, такого как управляющий клапан на уровне, который позволяет избежать нестабильности, но применяет коррекцию как можно быстрее, применяя оптимальное количество пропорциональной коррекции.

Недостатком пропорционального управления является то, что он не может устранить остаточную ошибку SP-PV, поскольку для генерации пропорционального выхода требуется ошибка. Для преодоления этого был разработан ПИ-регулятор, который использует пропорциональный термин (Р) для устранения грубой ошибки и интегральный термин (I) для устранения ошибки остаточного смещения путем интеграции ошибки с течением времени для создания компонента «I» внутри выход контроллера.

В некоторых системах существуют практические пределы для диапазона управляемой переменной (MV). Например, нагреватель может быть выключен или полностью включен, или клапан может быть закрыт или полностью открыт. Корректировки усиления одновременно изменяют диапазон значений ошибок, по которым MV находится между этими пределами. Ширина этого диапазона, в единицах переменной ошибки и, следовательно, PV, называется пропорциональной полосой (PB), которая является обратной величине пропорционального усиления. Хотя выигрыш полезен при математическом лечении, пропорциональная полоса часто упоминается в практических ситуациях.

Пример печи
При регулировании температуры в промышленной печи обычно лучше контролировать открытие топливного клапана пропорционально текущим потребностям печи. Это помогает избежать тепловых ударов и более эффективно применять тепло.

При низких коэффициентах прибыли, когда обнаружены ошибки, применяется только небольшое корректирующее действие. Система может быть безопасной и стабильной, но может быть вялой в ответ на меняющиеся условия. Ошибки будут оставаться нескорректированными в течение относительно длительных периодов времени, и система будет завышена. Если пропорциональное усиление увеличивается, такие системы становятся более отзывчивыми, а ошибки обрабатываются быстрее. Существует оптимальное значение для настройки усиления, когда общая система считается критически демпфированной. Увеличение усиления контура за пределами этой точки приводит к колебаниям в PV, и такая система недопустима.

Underdamped
В примере печи предположим, что температура возрастает в направлении заданного значения, при котором, скажем, требуется 50% доступной мощности для стационарного состояния. При низких температурах применяется 100% доступной мощности. Когда значение процесса (PV) находится внутри, скажем, 10 ° SP, потребление тепла начинает уменьшаться пропорциональным контроллером. Это означает, что полоса 20 ° пропорциональна (PB) от полной до полной мощности, равномерно распределенная по значению заданного значения. При заданной задаче контроллер будет применять 50% мощности по мере необходимости, но блуждающее накопленное тепло в подсистеме нагревателя и в стенах печи будет поддерживать измеренную температуру выше требуемой. При 10 ° выше SP мы достигаем вершины пропорциональной полосы (PB), и никакая мощность не применяется, но температура может продолжать расти еще больше, прежде чем начать отступать. В конце концов, когда PV падает обратно в ПБ, тепло наносится снова, но теперь нагреватель и стенки печи слишком холодные, а температура падает слишком низко до того, как ее падение будет остановлено, так что колебания продолжатся.

Температурные колебания, которые производит система управления системой с пониженным давлением, неприемлемы по многим причинам, включая отходы топлива и времени (каждый цикл колебаний может занять много минут), а также вероятность серьезного перегрева как печи, так и ее содержимого.

передемпфированных
Предположим, что коэффициент усиления системы управления резко сокращен и перезапускается. По мере приближения температуры, скажем, на 30 ° ниже SP (диапазон пропорциональности A 60 ° (PB)), потребление тепла начинает уменьшаться, скорость нагрева печи может замедляться и, поскольку тепло еще больше уменьшен, он в конечном итоге доводится до заданного значения, так же как и 50% потребляемой мощности, и печь работает по мере необходимости. Было некоторое время впустую, пока печь достигла своей конечной температуры, используя только 52%, тогда 51% доступной мощности, но по крайней мере никакого вреда не было сделано. Тщательно увеличивая коэффициент усиления (т. Е. Уменьшая ширину ПБ), это чрезмерное и вялое поведение может быть улучшено до тех пор, пока система не будет критически затухать для этой температуры SP. Это называется «настройкой» системы управления. Хорошо настроенная пропорциональная система регулирования температуры печи, как правило, будет более эффективной, чем контроль включения-выключения, но будет реагировать медленнее, чем печь может при умелом ручном управлении.

ПИД-регулирование
Помимо вялой производительности, чтобы избежать колебаний, другая проблема с контролем пропорционального управления заключается в том, что приложение питания всегда находится в прямой зависимости от ошибки. В приведенном выше примере мы предположили, что установленная температура может поддерживаться на 50% мощности. Что происходит, если печь требуется в другом приложении, где для более высокой заданной температуры потребуется 80% энергии для ее поддержания? Если коэффициент усиления был, наконец, установлен на 50 ° PB, тогда 80% мощности не будут применяться, если печь не будет на 15 ° ниже заданного значения, поэтому для этого другого приложения операторы должны будут всегда помнить, чтобы установить заданную температуру на 15 ° выше, чем на самом деле необходимо. Этот показатель 15 ° также не является полностью постоянным: он будет зависеть от окружающей температуры окружающей среды, а также от других факторов, которые влияют на потерю тепла или поглощение в печи.

Чтобы решить эти две проблемы, многие схемы управления с обратной связью включают в себя математические расширения для повышения производительности. Наиболее распространенные расширения приводят к управлению пропорционально-интегральным производным или ПИД-регулированию.

Производные действия
Производная часть связана со скоростью изменения ошибки со временем: если измеренная переменная приближается к заданному значению быстро, тогда привод откладывается раньше, чтобы позволить ему преодолеть требуемый уровень; наоборот, если измеренное значение начинает быстро отходить от заданного значения, прилагаются дополнительные усилия — пропорционально этой быстроте — чтобы попытаться его поддерживать.

Производные действия делают систему управления более разумной. В таких системах управления, как настройка температуры печи или, возможно, управление движением тяжелого предмета, такого как пушка или камера на движущемся транспортном средстве, производное действие хорошо настроенного ПИД-регулятора может позволить ему достичь и поддерживать уставка лучше, чем у большинства квалифицированных операторов.

Если производное действие чрезмерно применяется, оно также может привести к колебаниям. Примером может служить PV, который быстро увеличивался в сторону SP, затем останавливался раньше и, казалось, «уклонялся» от заданного значения, а затем снова поднимался к нему.

Интегральное действие
Интегральный термин увеличивает эффект долговременных устойчивых ошибок, применяя все возрастающие усилия, пока они не уменьшатся до нуля. В примере печи выше работы при различных температурах, если приложенное тепло не доводит печь до заданного значения, по какой-либо причине интегральное действие все больше перемещает пропорциональный диапазон относительно заданного значения до тех пор, пока ошибка PV не будет уменьшена до нуля и заданное значение достигнуто.

Уменьшить% в минуту
Некоторые контроллеры включают опцию ограничения «нарастания% в минуту». Этот вариант может быть очень полезен для стабилизации небольших котлов (3 MBTUH), особенно летом, во время легких нагрузок. Может потребоваться установка утилитарного котла для изменения нагрузки со скоростью до 5% в минуту (IEA Coal Online — 2, 2007) ».

Другие методы
Можно фильтровать сигнал PV или ошибки. Это может уменьшить реакцию системы на нежелательные частоты, чтобы уменьшить нестабильность или колебания. Некоторые системы обратной связи будут колебаться только на одной частоте. Отфильтровывая эту частоту, можно применять более «жесткую» обратную связь, делая систему более отзывчивой, не встряхивая себя отдельно.

Системы обратной связи могут быть объединены. В каскадном управлении один контур управления применяет алгоритмы управления к измеряемой переменной к заданному значению, но затем предоставляет переменную уставки в другой контур управления, а не напрямую влияя на переменные процесса. Если система управляет несколькими различными измеряемыми величинами, для каждой из них будут присутствовать отдельные системы управления.

Технология управления во многих приложениях создает системы управления, которые являются более сложными, чем ПИД-управление. Примерами таких месторождений являются системы управления летательными аппаратами, химические заводы и нефтеперерабатывающие заводы. Модельные системы интеллектуального управления спроектированы с использованием специализированного программного обеспечения для компьютерного проектирования и эмпирических математических моделей контролируемой системы.

Широко используются гибридные системы ПИД и логического управления. Выход с линейного контроллера может быть, например, блокирован логикой.

Нечеткая логика
Нечеткая логика — это попытка применить простой дизайн логических контроллеров для управления сложными непрерывно изменяющимися системами. В принципе, измерение в системе с нечеткой логикой может быть отчасти верно, то есть если да — 1, а нет — 0, нечеткое измерение может быть между 0 и 1.

Правила системы написаны на естественном языке и переведены в нечеткую логику. Например, конструкция печи должна начинаться с: «Если температура слишком высокая, уменьшите топливо до печи. Если температура слишком низкая, увеличьте топливо до печи».

Измерения из реального мира (например, температура печи) преобразуются в значения между 0 и 1, видя, где они попадают на треугольник. Обычно кончик треугольника является максимально возможным значением, которое переводится в 1.

Таким образом, нечеткая логика модифицирует логическую логику как арифметическую. Обычно операция «нет» — «выход = 1 — вход», «и» — «выход = вход 1», умноженный на вход.2, «и» или «is» output = 1 — ((1 — вход. 1), умноженное на (1 — input.2)) «. Это сводится к булевой арифметике, если значения ограничены 0 и 1, а не разрешены для диапазона в единичном интервале [0,1].

Последний шаг — «defuzzify» выход. В принципе, нечеткие вычисления составляют значение от нуля до единицы. Этот номер используется для выбора значения на линии, чей наклон и высота преобразуют нечеткое значение в выходной номер реального мира. Затем число контролирует реальную технику.

Если треугольники правильно определены и правильные правила, результат может быть хорошей системой управления.

Когда надежный нечеткий дизайн сводится к единому быстрому вычислению, он начинает напоминать обычное решение обратной связи, и может показаться, что нечеткий дизайн не нужен. Однако парадигма нечеткой логики может обеспечить масштабируемость для больших систем управления, где обычные методы становятся громоздкими или дорогостоящими для получения.

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

Физическая реализация
Диапазон реализации — от компактных контроллеров, часто с выделенным программным обеспечением для конкретной машины или устройства, до распределенных систем управления для контроля промышленных процессов.

Логические системы и контроллеры обратной связи обычно реализуются с программируемыми логическими контроллерами.