Управление дискретными и непрерывными процессами в контуре с обратной связью

Он состоит из пяти основных элементов:

• Контролируемый процесс.
• Датчик (или прибор), который измеряет состояние процесса.
• Передатчик, который преобразует результат измерения в электронный сигнал.
• Регулятор, принимающий решение о допустимости состояния процесса.
• Исполнительное устройство (или конечный управляющий элемент), который передает корректирующее воздействие на процесс в соответствии с командами регулятора.

Эта последовательность измерить-принять решение-привести в действие повторяется до тех пор, пока процесс не достигнет желаемого состояния.

При управлении непрерывным процессом контур обратной связи стремится удержать переменную процесса (или управляемую переменную) на заданном уровне, который называется уставкой. Для формирования сигнала ошибки регулятор вычитает самый последний результат измерения переменной процесса из уставки. После этого величина и длительность сигнала ошибки определяют значение выхода регулятора или регулируемую величину, которая далее устанавливает корректирующие воздействия, прикладываемые к исполнительному устройству.

Поездка

В качестве примера можно рассмотреть автомобиль, оснащенный автоматом постоянной скорости, который использует спидометр для измерения и поддержания скорости автомобиля. Если автомобиль движется слишком медленно, регулятор воздействует на педаль газа для подачи большего количества топлива в двигатель. Если же автомобиль перемещается быстро, регулятор ослабляет воздействие на акселератор. В этом случае автомобиль представляет процесс, спидометр — датчик, а акселератор — исполнительное устройство.

Скорость автомобиля является переменной процесса. Другие распространенные переменные процесса включают температуру, давление, расход и уровень жидкости в резервуаре. Все они представляют величины, которые постоянно изменяются и могут быть измерены в любое время. Наиболее распространенные исполнительные устройства для управления такими величинами включают нагревательные элементы, клапаны, насосы и заслонки.

Для дискретного процесса переменная, представляющая интерес, измеряется только при наступлении инициирующего события, и последовательность измерить-принять решение-привести в действие обычно выполняется только один раз для каждого события. На самом деле здесь нет связанного «контура». Например, глаза водителя определяют уровень внешней освещенности в начале каждой поездки. Если за окном темно, водитель решает включить свет. Никакой последующей корректировки не производится вплоть до следующего инициирующего события, такого, как конец поездки.

Контуры обратной связи для дискретных процессов обычно намного проще, чем для непрерывных процессов, поскольку дискретные процессы не имеют большой инерции. Водитель, управляющий автомобилем, получает немедленные результаты после включения света, в то время как автомат постоянной скорости принимает значительно больше последовательных результатов, когда автомобиль увеличивает скорость или замедляет ход.

Инерция приводит к усложнению конструкции непрерывного контура регулирования, поскольку непрерывному регулятору обычно необходимо выполнить ряд действий до того, как его предыдущие усилия станут полностью очевидными. Он должен предвидеть совокупные результаты его недавних корректирующих воздействий и соответствующим образом планировать будущие действия. Если перед каждым последующим шагом ожидать окончания предыдущего, то это займет много времени.

Универсальный пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) алгоритм управления может предвидеть будущее, если он сконфигурирован или настроен так, чтобы дополнять поведения процесса. Быстродействующий ПИД-регулятор, который реализует энергичные управляющие решения, хорошо работает с медленными процессами и наоборот.