Ohjausjärjestelmä - Control system

Ohjausjärjestelmä hallitsee, komentoja, ohjaa, tai säätelee käyttäytymistä muiden laitteiden tai järjestelmien avulla säätöpiiriä . Se voi vaihdella yhdestä kodin lämmitysohjaimesta, joka käyttää kotitalouksien kattilaa ohjaavaa termostaattia , suuriin teollisiin ohjausjärjestelmiin, joita käytetään prosessien tai koneiden ohjaamiseen .

Jatkuvasti moduloitua ohjausta varten palauteohjainta käytetään prosessin tai toiminnan automaattiseen ohjaamiseen. Ohjausjärjestelmä vertaa arvoa tai tilan prosessimuuttujan (PV), joka on ohjattu haluttuun arvoon tai asetusarvo (SP), ja soveltaa eron ohjaussignaalin tuoda prosessimuuttuja lähtö tehtaan samaan arvoon kuin asetusarvo.

Ja peräkkäinen ja monimuotoiset logiikka , ohjelmisto logiikkaa , kuten on ohjelmoitava logiikka , on käytetty.

Avoimen ja suljetun piirin ohjaus

Ohjaustoimenpiteitä on kaksi yleistä luokkaa: avoin silmukka ja suljettu silmukka. Avoimen piirin ohjausjärjestelmässä ohjaimen ohjaustoiminto on riippumaton prosessimuuttujasta. Esimerkki tästä on keskuslämmityskattila, jota ohjataan vain ajastimella. Ohjaustoiminto on kattilan kytkeminen päälle tai pois päältä. Prosessimuuttuja on rakennuksen lämpötila. Tämä säädin käyttää lämmitysjärjestelmää kiinteän ajan rakennuksen lämpötilasta riippumatta.

Suljetun piirin ohjausjärjestelmässä ohjaimen ohjaustoiminta riippuu halutusta ja todellisesta prosessimuuttujasta. Kattilan analogian tapauksessa tässä käytettäisiin termostaattia rakennuslämpötilan seuraamiseen ja syötettäisiin takaisin signaali sen varmistamiseksi, että säätimen lähtö ylläpitää rakennuksen lämpötilaa lähellä termostaatille asetettua lämpötilaa. Suljetun piirin ohjaimessa on takaisinkytkentäsilmukka, joka varmistaa, että ohjain suorittaa ohjaustoiminnon prosessimuuttujan ohjaamiseksi samalla arvolla kuin asetusarvo. Tästä syystä suljetun piirin ohjaimia kutsutaan myös palauteohjaimiksi.

Palauteohjausjärjestelmät

Esimerkki yhdestä teollisesta ohjauspiiristä; näyttää prosessivirran jatkuvasti moduloidun ohjauksen.
Peruspalautesilmukka

Tapauksessa lineaarinen palautteen järjestelmissä säätöpiiri , kuten anturit , säätöalgoritmit, ja toimilaitteet on järjestetty yritetään säädellä muuttujan asetusarvon (SP). Arjen esimerkki on maantieajoneuvon vakionopeudensäädin ; missä ulkoiset vaikutteet, kuten mäet, aiheuttaisivat nopeuden muutoksia, ja kuljettaja voi muuttaa haluttua asetettua nopeutta. PID-algoritmia ohjaimeen palauttaa todellinen nopeus haluttuun nopeuteen optimaalisella tavalla, mahdollisimman nopeasti tai ylitys , säätämällä tehoa ajoneuvon moottori.

Ohjausjärjestelmät, jotka sisältävät jonkinlaisen havainnon tuloksista, joita he yrittävät saavuttaa, käyttävät palautetta ja voivat mukautua vaihteleviin olosuhteisiin jossain määrin. Avoimen piirin ohjausjärjestelmät eivät käytä palautetta, ja ne toimivat vain ennalta sovituilla tavoilla.

Logiikan hallinta

Teollisuuden ja kaupan koneiden logiikan ohjausjärjestelmät toteutettiin historiallisesti toisiinsa kytketyillä sähköreleillä ja nokka-ajastimilla tikkaat-logiikkaa käyttäen . Nykyään useimmat tällaiset järjestelmät on rakennettu mikrokontrollereilla tai erikoistuneemmilla ohjelmoitavilla logiikkaohjaimilla (PLC). Tikkaat-logiikan merkintää käytetään edelleen ohjelmointimenetelmänä PLC-levyille.

Loogiset ohjaimet voivat reagoida kytkimiin ja antureihin, ja ne voivat saada koneet käynnistämään ja lopettamaan erilaiset toiminnot toimilaitteiden avulla . Loogisia ohjaimia käytetään mekaanisten toimintojen sekvensointiin monissa sovelluksissa. Esimerkkejä ovat hissit, pesukoneet ja muut toisiinsa liittyvät toiminnot. Automaattinen peräkkäinen ohjausjärjestelmä voi laukaista sarjan mekaanisia toimilaitteita oikeassa järjestyksessä tehtävän suorittamiseksi. Esimerkiksi erilaiset sähköiset ja pneumaattiset anturit voivat taittaa ja liimata pahvilaatikon, täyttää sen tuotteella ja sulkea sen sitten automaattiseen pakkauskoneeseen.

PLC-ohjelmisto voidaan kirjoittaa monin eri tavoin - tikapuukaaviot, SFC ( peräkkäiset toimintakaaviot ) tai lauselistat .

On-off-ohjaus

On-off-ohjaus käyttää takaisinkytkentäohjainta, joka vaihtaa äkillisesti kahden tilan välillä. Yksinkertainen bi-metallista kotimainen termostaatti voidaan kuvata on-off-ohjain. Kun huoneen lämpötila (PV) laskee alle käyttäjän asetusten (SP), lämmitin kytketään päälle. Toinen esimerkki on ilmakompressorin painekytkin. Kun paine (PV) laskee alle asetusarvon (SP), kompressori saa virran. Jääkaapit ja tyhjiöpumput sisältävät samanlaisia ​​mekanismeja. Tällaiset yksinkertaiset on-off-ohjausjärjestelmät voivat olla halpoja ja tehokkaita.

Lineaarinen ohjaus

Lineaariset ohjausjärjestelmät käyttävät negatiivista palautetta ohjaussignaalin tuottamiseksi hallitun PV: n ylläpitämiseksi halutulla SP: llä. On olemassa useita erityyppisiä lineaarisia ohjausjärjestelmiä.

Suhteellinen hallinta

Vaihe vasteet toisen kertaluvun jonka määrittelee siirtofunktio , jossa on vaimennussuhde ja on vaimentumatonta luonnollinen taajuus.

Suhteellinen ohjaus on eräänlainen lineaarinen takaisinkytkentäjärjestelmä, jossa ohjattavaan muuttujaan tehdään korjaus, joka on verrannollinen halutun arvon (SP) ja mitatun arvon (PV) väliseen eroon. Kaksi klassista mekaanista esimerkkiä ovat wc-kulhon uimurin annosteluventtiili ja fly-pallo-säädin .

Suhteellinen ohjausjärjestelmä on monimutkaisempi kuin on-off-ohjausjärjestelmä, mutta yksinkertaisempi kuin esimerkiksi auton vakionopeudensäätimessä käytettävä suhteellinen-integraalijohdannainen (PID) -ohjausjärjestelmä . On-off-ohjaus toimii järjestelmissä, jotka eivät vaadi suurta tarkkuutta tai reagointikykyä, mutta eivät ole tehokkaita nopeille ja oikea-aikaisille korjauksille ja vastauksille. Suhteellinen ohjaus voittaa tämän moduloimalla manipuloitavaa muuttujaa (MV), kuten säätöventtiili , vahvistustasolla, joka välttää epävakauden, mutta soveltaa korjausta mahdollisimman nopeasti soveltamalla optimaalista määrää suhteellista korjausta.

Suhteellisen ohjauksen haittapuoli on, että se ei voi poistaa jäännös-SP – PV-virhettä, koska se vaatii virheen suhteellisen lähdön luomiseksi. PI-säätimen avulla voidaan voittaa tämän. PI-ohjain käyttää suhteellista termiä (P) karkean virheen poistamiseksi ja integraalia termiä (I) jäännössiirtymävirheen poistamiseksi integroimalla virhe ajan myötä.

Joissakin järjestelmissä MV: n alueelle on käytännön rajoituksia. Esimerkiksi lämmittimellä on raja sille, kuinka paljon lämpöä se voi tuottaa, ja venttiili voi avautua vain toistaiseksi. Vahvistuksen säätö muuttaa samanaikaisesti virhearvojen aluetta, jonka yli MV on näiden rajojen välillä. Tämän alueen leveyttä virhemuuttujan ja siten PV: n yksikköinä kutsutaan suhteelliseksi kaistaksi (PB).

Uuniesimerkki

Teollisen uunin lämpötilaa säädettäessä on yleensä parempi säätää polttoaineventtiilin aukkoa suhteessa uunin nykyisiin tarpeisiin. Tämä auttaa välttämään lämpöshokkeja ja käyttää lämpöä tehokkaammin.

Pienillä voitoilla vain pieni korjaava toimenpide tehdään, kun virheitä havaitaan. Järjestelmä voi olla turvallinen ja vakaa, mutta voi olla hidas vastauksena muuttuviin olosuhteisiin. Virheet pysyvät korjaamattomina suhteellisen kauan ja järjestelmä on liian vaimennettu . Jos suhteellista vahvistusta kasvatetaan, tällaiset järjestelmät reagoivat paremmin ja virheet käsitellään nopeammin. Vahvistusasetukselle on optimaalinen arvo, kun koko järjestelmän sanotaan olevan kriittisesti vaimennettu . Silmukanvahvistuksen lisääntyminen tämän pisteen ulkopuolella johtaa PV: n värähtelyihin ja tällainen järjestelmä on vaimennettu . Vahvistuksen säätäminen kriittisesti vaimennetun käyttäytymisen saavuttamiseksi tunnetaan ohjausjärjestelmän virittämisenä .

Alipaineistetussa tapauksessa uuni lämpenee nopeasti. Kun asetusarvo on saavutettu, lämmitetyn alijärjestelmän ja uunin seinämiin varastoitu lämpö pitää mitatun lämpötilan nousevan vaadittua enemmän. Kun lämpötila nousee asetuspisteen yläpuolelle, lämpötila laskee takaisin ja lopulta käytetään uudelleen lämpöä. Lämmittimen alijärjestelmän uudelleenlämmityksen viivästyminen antaa uunin lämpötilan laskea edelleen alle asetusarvon ja sykli toistuu. Alipaineistetun uunin ohjausjärjestelmän aiheuttamat lämpötilan värähtelyt ovat ei-toivottuja.

Kriittisesti vaimennetussa järjestelmässä lämpötilan lähestyessä asetuspistettä lämmöntuotto alkaa pienentyä, uunin lämmitysnopeudella on aikaa hidastua ja järjestelmä välttää ylityksen. Ylikuormitusta vältetään myös liian vaimennetussa järjestelmässä, mutta ylivaimennettu järjestelmä on tarpeettoman hidas saavuttaakseen alun perin asetuspisteen reagoimaan järjestelmän ulkoisiin muutoksiin, esim. Uunin oven avaamiseen.

PID-ohjaus

Lohkokaavio , joka PID
Vaihtelun vaikutuksia PID-parametrien (K p , K i , K d ) on askelvaste järjestelmän.

Puhtaiden suhteellisten säätimien on toimittava jäännösvirheellä järjestelmässä. Vaikka PI-ohjaimet eliminoivat tämän virheen, ne voivat silti olla hitaita tai tuottaa värähtelyjä. PID-ohjain korjaa nämä viimeiset puutteet ottamalla käyttöön johdannaistoimenpide (D) vakauden säilyttämiseksi samalla kun reagointikykyä parannetaan.

Johdannaisvaikutus

Johdannainen koskee virheen muutosnopeutta ajan myötä: Jos mitattu muuttuja lähestyy asetuspistettä nopeasti, toimilaite taaksepäin varhaisessa vaiheessa, jotta se voi liikkua vaaditulle tasolle; päinvastoin, jos mitattu arvo alkaa siirtyä nopeasti pois asetuspisteestä, käytetään ylimääräistä vaivaa - suhteessa siihen nopeuteen, jotta se voisi siirtyä takaisin.

Ohjausjärjestelmissä, joihin liittyy liikkuvan ajoneuvon raskaan kohteen, kuten aseen tai kameran, liikkeen hallinta, hyvin viritetyn PID-ohjaimen johdannainen toiminta voi antaa sen saavuttaa ja ylläpitää asetusarvoa paremmin kuin useimmat ammattitaitoiset ihmisoperaattorit. Jos johdannaistoimintaa käytetään liikaa, se voi kuitenkin johtaa värähtelyihin.

Integroitu toiminta

Toisen kertaluvun järjestelmän vasteen muutos porrastuloksi vaihteleville Ki-arvoille.

Integraali termi suurentaa pitkäaikaisten vakaan tilavirheiden vaikutusta soveltamalla jatkuvasti kasvavaa vaivaa, kunnes virhe poistetaan. Edellä mainitussa esimerkissä uunista, joka toimii eri lämpötiloissa, jos käytettävä lämpö ei tuo uunia asetuspisteeseen, jostain syystä, integraalitoiminta siirtää yhä enemmän suhteellista kaistaa asetuspisteeseen nähden, kunnes PV-virhe laskee nollaksi ja asetuspiste saavutetaan.

Ramppi% minuutissa

Jotkut ohjaimet sisältävät mahdollisuuden rajoittaa "nousua% minuutissa". Tämä vaihtoehto voi olla erittäin hyödyllinen pienten kattiloiden (3 MBTUH) vakauttamisessa, erityisesti kesällä kevyiden kuormitusten aikana. Käyttökattilan "yksikköä voidaan tarvita vaihtamaan kuormaa jopa 5% minuutissa (IEA Coal Online - 2, 2007)".

Muut tekniikat

PV- tai virhesignaali on mahdollista suodattaa . Se voi auttaa vähentämään epävakautta tai värähtelyjä vähentämällä järjestelmän vastetta ei-toivotuille taajuuksille. Monilla järjestelmillä on resonanssitaajuus . Suodattamalla tämä taajuus voidaan käyttää vahvempaa kokonaispalaute ennen värähtelyä, mikä tekee järjestelmästä reagoivamman ravistelematta itseään.

Palautejärjestelmiä voidaan yhdistää. In kaskadisäätöä , yksi säätösilmukka koskee säätöalgoritmeista on mitattu muuttuja vastaan asetusarvon, mutta tuottaa sitten vaihteleva ohjearvon toiseen säätöpiirissä sijaan vaikuttavat prosessimuuttujat suoraan. Jos järjestelmässä on useita ohjattavia mitattuja muuttujia, kullekin niistä on erilliset ohjausjärjestelmät.

Ohjaussuunnittelu tuottaa monissa sovelluksissa ohjausjärjestelmiä, jotka ovat monimutkaisempia kuin PID-ohjaus. Esimerkkejä tällaisista kenttäsovelluksista fly-by-wire lentokoneiden ohjausjärjestelmissä, kemiantehdasissa ja öljynjalostamoissa. Mallien ennakoivat ohjausjärjestelmät suunnitellaan käyttämällä erikoistuneita tietokoneavusteisia suunnitteluohjelmistoja ja ohjattavan järjestelmän empiirisiä matemaattisia malleja.

Sumea logiikka

Sumea logiikka on yritys soveltaa logiikkaohjaimien helppoa suunnittelua monimutkaisten jatkuvasti vaihtelevien järjestelmien ohjaukseen. Pohjimmiltaan sumea logiikkajärjestelmän mittaus voi olla osittain totta.

Järjestelmän säännöt on kirjoitettu luonnollisella kielellä ja käännetty sumeaan logiikkaan. Esimerkiksi uunin suunnittelu aloitettaisiin seuraavasti: "Jos lämpötila on liian korkea, vähennä polttoainetta uuniin. Jos lämpötila on liian matala, lisää polttoainetta uuniin."

Reaalimaailman mittaukset (kuten uunin lämpötila) sumutetaan ja logiikka lasketaan aritmeettisesti toisin kuin Boolen logiikka , ja lähdöt sumennetaan ohjauslaitteille.

Kun vankka sumea muotoilu supistetaan yhdeksi nopeaksi laskelmaksi, se alkaa muistuttaa tavanomaista takaisinkytkentäratkaisua ja saattaa tuntua siltä, ​​että sumea muotoilu on tarpeeton. Sumea logiikkaparadigma voi kuitenkin tarjota skaalautuvuuden suurille ohjausjärjestelmille, joissa tavanomaiset menetelmät ovat hankalia tai kalliita johtaa.

Fuzzy elektroniikka on elektroninen tekniikka, joka käyttää sumeaa logiikkaa digitaalisessa elektroniikassa yleisemmin käytetyn kaksiarvoisen logiikan sijaan .

Fyysinen toteutus

DCS-valvomo, jossa suuret näytöt näyttävät laitoksen tiedot. Operaattorit voivat tarkastella ja hallita mitä tahansa prosessin osaa tietokoneiden näytöistään pitäen samalla laitoksen yleiskuvan suuremmissa näytöissä.
Hydraulisen lämpöpuristuskoneen ohjauspaneeli

Ohjausjärjestelmän toteutusalue on pienikokoisista ohjaimista, joilla on usein erillinen ohjelmisto tietylle koneelle tai laitteelle, hajautettuihin ohjausjärjestelmiin teollisen prosessin ohjausta varten suurelle fyysiselle laitokselle .

Logiikkajärjestelmät ja takaisinkytkentäohjaimet toteutetaan yleensä ohjelmoitavilla logiikkaohjaimilla .

Katso myös

Viitteet

Ulkoiset linkit