Линейный контроль

Линейное управление — это системы управления и теория управления, основанные на отрицательной обратной связи для создания управляющего сигнала для поддержания регулируемой переменной процесса (PV) на желаемом заданном значении (SP). Существует несколько типов линейных систем управления с различными возможностями.

Пропорциональный контроль

{\displaystyle H(s)={\frac {\omega _{n}^{2}}{s^{2}+2\zeta \omega _{n}s+\omega _{n}^{2}}}} — Переходные характеристики для системы второго порядка, определяемой передаточной функцией , где — коэффициент затухания, а — незатухающая собственная частота $H(s)={\frac {\omega _{n}^{2}}{s^{2}+2\zeta \omega _{n}s+\omega _{n}^{2}}}$ $\дзета$ $\omega _{n}$

Пропорциональное управление — это тип линейной системы управления с обратной связью, в которой к контролируемой переменной применяется коррекция, пропорциональная разнице между желаемым значением (SP) и измеренным значением (PV). Два классических механических примера — это поплавковый пропорциональный клапан унитаза и регулятор Fly-ball .

Система пропорционального управления сложнее, чем система управления включением-выключением , но проще, чем система пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) управления, используемая, например, в автомобильном круиз-контроле . Управление включением-выключением будет работать для систем, которые не требуют высокой точности или отзывчивости, но не эффективны для быстрых и своевременных коррекций и ответов. Пропорциональное управление преодолевает это путем модуляции управляемой переменной (MV), такой как регулирующий клапан , на уровне усиления, который позволяет избежать нестабильности, но применяет коррекцию настолько быстро, насколько это возможно, применяя оптимальное количество пропорциональной коррекции.

Недостатком пропорционального управления является то, что оно не может устранить остаточную ошибку SP–PV, поскольку для генерации пропорционального выхода требуется ошибка. Для преодоления этого можно использовать ПИ-регулятор . ПИ-регулятор использует пропорциональный член (P) для устранения грубой ошибки и интегральный член (I) для устранения остаточной ошибки смещения путем интегрирования ошибки по времени.

В некоторых системах существуют практические ограничения диапазона MV. Например, нагреватель имеет предел того, сколько тепла он может вырабатывать, а клапан может открываться только до определенного предела. Регулировки усиления одновременно изменяют диапазон значений погрешности, в пределах которого MV находится между этими пределами. Ширина этого диапазона в единицах переменной погрешности и, следовательно, PV, называется пропорциональной полосой (PB).

Пример печи

При регулировании температуры промышленной печи обычно лучше контролировать открытие топливного клапана пропорционально текущим потребностям печи. Это помогает избежать тепловых ударов и эффективнее использовать тепло.

При низком усилении применяется только небольшое корректирующее действие при обнаружении ошибок. Система может быть безопасной и стабильной, но может быть инертной в ответ на изменяющиеся условия. Ошибки будут оставаться неисправленными в течение относительно длительных периодов времени, и система будет передемпфирована . Если пропорциональное усиление увеличивается, такие системы становятся более отзывчивыми, и ошибки обрабатываются быстрее. Существует оптимальное значение для настройки усиления, когда вся система считается критически затухающей . Увеличение усиления контура сверх этой точки приводит к колебаниям в PV, и такая система становится недостаточно затухающей . Регулировка усиления для достижения критически затухающего поведения известна как настройка системы управления.

В случае недостаточного затухания печь нагревается быстро. После достижения заданного значения накопленное тепло в подсистеме нагревателя и в стенках печи будет поддерживать измеренную температуру выше требуемого значения. После превышения заданного значения температура падает, и в конечном итоге тепло подается снова. Любая задержка в повторном нагреве подсистемы нагревателя позволяет температуре печи упасть еще ниже заданного значения, и цикл повторяется. Колебания температуры, которые создает система управления недостаточной затухающей печью, нежелательны.

В критически затухающей системе, когда температура приближается к заданному значению, подача тепла начинает снижаться, скорость нагрева печи успевает замедлиться, и система избегает перерегулирования. Перерегулирование также избегается в чрезмерно затухающей системе, но чрезмерно затухающая система излишне медленно изначально достигает заданного значения в ответ на внешние изменения в системе, например, открытие дверцы печи.

ПИД-регулирование

Чистые пропорциональные контроллеры должны работать с остаточной ошибкой в системе. Хотя ПИ-контроллеры устраняют эту ошибку, они все равно могут быть медлительными или создавать колебания. ПИД-контроллер устраняет эти последние недостатки, вводя производное (D) действие для сохранения стабильности, в то время как отзывчивость улучшается.

Производное действие

Производная связана со скоростью изменения ошибки со временем: если измеряемая величина быстро приближается к заданному значению, то привод отключается раньше, чтобы дать ему возможность двигаться по инерции до требуемого уровня; и наоборот, если измеряемая величина начинает быстро удаляться от заданного значения, то прилагаются дополнительные усилия — пропорционально этой скорости, чтобы помочь ему вернуться назад.

В системах управления, включающих управление движением тяжелого предмета, например, пистолета или камеры на движущемся транспортном средстве, производное действие хорошо настроенного ПИД-регулятора может позволить ему достигать и поддерживать заданное значение лучше, чем большинство опытных операторов-людей. Однако, если производное действие применяется слишком часто, оно может привести к колебаниям.

Интегральное действие

Интегральный член усиливает эффект долгосрочных стационарных ошибок, прикладывая все большее усилие, пока ошибка не будет устранена. В примере печи выше, работающей при различных температурах, если применяемое тепло не доводит печь до заданного значения по какой-либо причине, интегральное действие все больше перемещает пропорциональный диапазон относительно заданного значения, пока ошибка PV не снизится до нуля и заданное значение не будет достигнуто.

Увеличение % в минуту

Некоторые контроллеры включают опцию ограничения "ramp up % per minute". Эта опция может быть очень полезна для стабилизации небольших котлов (3 MBTUH), особенно летом, при малых нагрузках. Энергоблоку "может потребоваться изменять нагрузку со скоростью до 5% в минуту (IEA Coal Online - 2, 2007)". ^[1]^{[ не удалось проверить ]}

Другие методы

Можно отфильтровать PV или сигнал ошибки. Это может помочь уменьшить нестабильность или колебания, уменьшив реакцию системы на нежелательные частоты. Многие системы имеют резонансную частоту . Отфильтровывая эту частоту, можно применить более сильную общую обратную связь до возникновения колебаний, что делает систему более отзывчивой, не расшатывая себя.

Системы обратной связи можно комбинировать. При каскадном управлении один контур управления применяет алгоритмы управления к измеряемой переменной в соответствии с заданным значением, но затем предоставляет изменяющееся заданное значение другому контуру управления, а не влияет на переменные процесса напрямую. Если в системе есть несколько различных измеряемых переменных, которые необходимо контролировать, для каждой из них будут присутствовать отдельные системы управления.

Инженерное управление во многих приложениях создает системы управления, которые сложнее, чем ПИД-управление. Примерами таких полевых приложений являются системы управления самолетами с дистанционным управлением , химические заводы и нефтеперерабатывающие заводы. Системы управления с прогнозированием моделей разрабатываются с использованием специализированного программного обеспечения для автоматизированного проектирования и эмпирических математических моделей системы, которой необходимо управлять.

Смотрите также

Ссылки

^ "Энергоэффективное проектирование вспомогательных систем на электростанциях на ископаемом топливе" (PDF) . ABB. стр. 262. Архивировано (PDF) из оригинала 2014-08-05 . Получено 2014-04-07 .

[1] "Энергоэффективное проектирование вспомогательных систем на электростанциях на ископаемом топливе" (PDF) . ABB. стр. 262. Архивировано (PDF) из оригинала 2014-08-05 . Получено 2014-04-07 .