Kontrol sistemi - Control system
Bir kontrol sistemi , kontrol döngülerini kullanarak diğer cihazların veya sistemlerin davranışını yönetir, komuta eder, yönlendirir veya düzenler . Evsel bir kazanı kontrol eden bir termostat kullanan tek bir ev ısıtma kontrolöründen , prosesleri veya makineleri kontrol etmek için kullanılan büyük endüstriyel kontrol sistemlerine kadar değişebilir .
Sürekli modülasyonlu kontrol için, bir süreci veya işlemi otomatik olarak kontrol etmek için bir geri besleme kontrolörü kullanılır. Kontrol sistemi, kontrol edilen proses değişkeninin (PV) değerini veya durumunu istenen değer veya ayar noktası (SP) ile karşılaştırır ve farkı, tesisin proses değişkeni çıkışını aynı değere getirmek için bir kontrol sinyali olarak uygular . ayar noktası.
Açık döngü ve kapalı döngü kontrolü
İki yaygın kontrol eylemi sınıfı vardır: açık döngü ve kapalı döngü. Açık çevrim kontrol sisteminde, kontrolörden gelen kontrol eylemi, proses değişkeninden bağımsızdır. Bunun bir örneği, yalnızca bir zamanlayıcı tarafından kontrol edilen bir merkezi ısıtma kazanıdır. Kontrol eylemi, kazanın açılması veya kapatılmasıdır. Proses değişkeni bina sıcaklığıdır. Bu kontrolör, binanın sıcaklığından bağımsız olarak ısıtma sistemini sabit bir süre çalıştırır.
Kapalı çevrim kontrol sisteminde, kontrolörden gelen kontrol eylemi, istenen ve gerçek proses değişkenine bağlıdır. Kazan benzetmesi durumunda, bu, bina sıcaklığını izlemek için bir termostat kullanır ve kontrolör çıkışının bina sıcaklığını termostatta ayarlanana yakın tutmasını sağlamak için bir sinyal geri besler. Kapalı döngü kontrolöründe, kontrolörün ayar noktası ile aynı değerde bir proses değişkenini kontrol etmek için bir kontrol eylemi uygulamasını sağlayan bir geri besleme döngüsü vardır. Bu nedenle kapalı çevrim kontrolörlere geri besleme kontrolörleri de denir.
Geri besleme kontrol sistemleri
Doğrusal geri besleme sistemleri durumunda, bir değişkeni bir ayar noktasında (SP) düzenlemek için sensörler , kontrol algoritmaları ve aktüatörler içeren bir kontrol döngüsü düzenlenir . Günlük bir örnek, bir yol aracındaki hız sabitleme sistemidir; yokuşlar gibi dış etkenlerin hız değişikliklerine neden olacağı ve sürücünün istenen ayarlı hızı değiştirme yeteneğine sahip olduğu durumlarda. PID algoritması denetleyicisi en az gecikmeyle veya optimum bir şekilde arzu edilen hızına, gerçek hızını geri aşma aracın motoruna güç çıkışını kontrol edilmesiyle,.
Elde etmeye çalıştıkları sonuçların bir miktar algılanmasını içeren kontrol sistemleri, geri bildirimden yararlanır ve değişen koşullara bir dereceye kadar uyum sağlayabilir. Açık çevrim kontrol sistemleri , geri beslemeden faydalanmaz ve yalnızca önceden ayarlanmış yollarla çalışır.
mantık kontrolü
Endüstriyel ve ticari makineler için mantık kontrol sistemleri, tarihsel olarak , merdiven mantığı kullanılarak birbirine bağlı elektrik röleleri ve kam zamanlayıcılar tarafından uygulanıyordu . Bugün, bu tür sistemlerin çoğu, mikro denetleyiciler veya daha özel programlanabilir mantık denetleyicileri (PLC'ler) ile inşa edilmiştir . Merdiven mantığının gösterimi, PLC'ler için bir programlama yöntemi olarak hala kullanılmaktadır.
Mantık denetleyicileri, anahtarlara ve sensörlere yanıt verebilir ve aktüatörlerin kullanımı yoluyla makinelerin çeşitli işlemleri başlatmasına ve durdurmasına neden olabilir . Mantık denetleyicileri, birçok uygulamada mekanik işlemleri sıralamak için kullanılır. Örnekler arasında asansörler, çamaşır makineleri ve birbiriyle ilişkili işlemlere sahip diğer sistemler sayılabilir. Otomatik sıralı kontrol sistemi, bir görevi gerçekleştirmek için doğru sırayla bir dizi mekanik aktüatörü tetikleyebilir. Örneğin, çeşitli elektrik ve pnömatik dönüştürücüler bir karton kutuyu katlayıp yapıştırabilir, ürünle doldurabilir ve ardından otomatik bir paketleme makinesinde kapatabilir.
Açma-kapama kontrolü
Açma-kapama kontrolü, iki durum arasında aniden geçiş yapan bir geri besleme kontrolörü kullanır. Basit bir bimetal ev termostatı , bir açma-kapama kontrolörü olarak tanımlanabilir. Odadaki sıcaklık (PV) kullanıcı ayarının (SP) altına düştüğünde ısıtıcı devreye girer. Başka bir örnek, bir hava kompresörü üzerindeki bir basınç anahtarıdır. Basınç (PV) ayar noktasının (SP) altına düştüğünde kompresöre güç verilir. Buzdolapları ve vakum pompaları benzer mekanizmalar içerir. Bunun gibi basit açma-kapama kontrol sistemleri ucuz ve etkili olabilir.
Doğrusal kontrol
Doğrusal kontrol sistemleri , kontrollü PV'yi istenen SP'de tutmak için bir kontrol sinyali üretmek için negatif geri besleme kullanır . Farklı yeteneklere sahip birkaç tip lineer kontrol sistemi vardır.
oransal kontrol
Oransal kontrol, istenen değer (SP) ile ölçülen değer (PV) arasındaki farkla orantılı olarak kontrol edilen değişkene bir düzeltmenin uygulandığı bir tür doğrusal geri besleme kontrol sistemidir. İki klasik mekanik örnek, klozet şamandıra orantı valfi ve uçucu bilyeli regülatördür .
Orantılı kontrol sistemi, bir açma-kapama kontrol sisteminden daha karmaşıktır, ancak örneğin bir otomobil hız sabitleyicide kullanılan orantısal-tümleşik-türev (PID) kontrol sisteminden daha basittir . Açma-kapama kontrolü, yüksek doğruluk veya yanıt verme gerektirmeyen, ancak hızlı ve zamanında düzeltmeler ve yanıtlar için etkili olmayan sistemler için çalışacaktır. Orantısal kontrol, bir kontrol valfi gibi manipüle edilen değişkeni (MV) kararsızlığı önleyen bir kazanç seviyesinde modüle ederek , ancak optimum orantısal düzeltme miktarını uygulayarak düzeltmeyi mümkün olduğu kadar hızlı uygulayarak bunun üstesinden gelir.
Orantılı kontrolün bir dezavantajı, orantılı bir çıktı üretmek için bir hata gerektirdiğinden artık SP-PV hatasını ortadan kaldıramamasıdır. Bunun üstesinden gelmek için bir PI denetleyici kullanılabilir. PI denetleyicisi, brüt hatayı ortadan kaldırmak için orantılı bir terim (P) ve hatayı zaman içinde entegre ederek artık ofset hatasını ortadan kaldırmak için bir integral terimi (I) kullanır.
Bazı sistemlerde MV aralığının pratik sınırları vardır. Örneğin, bir ısıtıcının üretebileceği ısının bir sınırı vardır ve bir valf ancak o kadar açılabilir. Kazanca yapılan ayarlamalar, aynı anda MV'nin bu sınırlar arasında olduğu hata değerleri aralığını değiştirir. Bu aralığın hata değişkeninin ve dolayısıyla PV'nin birimleri cinsinden genişliğine orantısal bant (PB) denir .
Fırın örneği
Bir endüstriyel fırının sıcaklığını kontrol ederken , genellikle fırının mevcut ihtiyaçları ile orantılı olarak yakıt valfinin açılmasını kontrol etmek daha iyidir . Bu, termal şoklardan kaçınmaya yardımcı olur ve ısıyı daha etkili bir şekilde uygular.
Düşük kazançlarda, hatalar tespit edildiğinde yalnızca küçük bir düzeltici eylem uygulanır. Sistem güvenli ve kararlı olabilir, ancak değişen koşullara tepki olarak yavaş olabilir. Hatalar, nispeten uzun süreler boyunca düzeltilmeden kalacaktır ve sistem aşırı sönümlenmiştir . Orantısal kazanç arttırılırsa, bu tür sistemler daha duyarlı hale gelir ve hatalar daha çabuk çözülür. Genel sistemin kritik olarak sönümlendiği söylendiğinde, kazanç ayarı için optimal bir değer vardır . Bu noktanın ötesinde döngü kazancındaki artışlar, PV'de salınımlara yol açar ve böyle bir sistem yetersiz sönümlenir . Kritik olarak sönümlenmiş davranışı elde etmek için kazancın ayarlanması , kontrol sisteminin ayarlanması olarak bilinir .
Düşük sönümlü durumda, fırın hızlı bir şekilde ısınır. Ayar noktasına ulaşıldığında, ısıtıcı alt sistemi içinde ve fırının duvarlarında depolanan ısı, ölçülen sıcaklığın gerekenin üzerinde yükselmesini sağlayacaktır. Ayar noktasının üzerine çıktıktan sonra sıcaklık düşer ve sonunda tekrar ısı uygulanır. Isıtıcı alt sisteminin yeniden ısıtılmasındaki herhangi bir gecikme, fırın sıcaklığının ayar noktasının daha da altına düşmesine izin verir ve döngü tekrar eder. Düşük sönümlü bir fırın kontrol sisteminin ürettiği sıcaklık salınımları istenmeyen bir durumdur.
Kritik olarak sönümlü bir sistemde, sıcaklık ayar noktasına yaklaştıkça, ısı girişi azalmaya başlar, fırının ısınma hızının yavaşlaması için zaman vardır ve sistem aşırı yüklenmeyi önler. Aşırı sönümlü bir sistemde de aşmadan kaçınılır, ancak aşırı sönümlü bir sistem, başlangıçta ayar noktasına ulaşmak için gereksiz yere yavaştır, sistemdeki harici değişikliklere yanıt verir, örneğin fırın kapısının açılması.
PID kontrolü
Saf oransal kontrolörler sistemde artık hata ile çalışmalıdır. PI kontrolörleri bu hatayı ortadan kaldırsa da, halsiz olabilir veya salınımlar üretebilirler. PID denetleyicisi , yanıt verme hızı artırılırken kararlılığı korumak için bir türev (D) eylemi sunarak bu son eksiklikleri giderir .
türev eylem
Türev, hatanın zamanla değişim oranı ile ilgilidir: Ölçülen değişken ayar noktasına hızla yaklaşırsa, aktüatör erken geri çekilir ve gerekli seviyeye gelmesine izin verilir; tersine, ölçülen değer ayar noktasından hızla uzaklaşmaya başlarsa, geri hareket etmesine yardımcı olmak için bu hızla orantılı olarak ekstra çaba uygulanır.
Hareket eden bir araçtaki tabanca veya kamera gibi ağır bir nesnenin hareket kontrolünü içeren kontrol sistemlerinde, iyi ayarlanmış bir PID kontrolörünün türevsel eylemi, onun bir ayar noktasına çoğu yetenekli insan operatörden daha iyi ulaşmasını ve muhafaza etmesini sağlayabilir. Ancak türev eylemi aşırı uygulanırsa salınımlara yol açabilir.
bütünsel eylem
İntegral terimi, hata giderilene kadar sürekli artan bir çaba uygulayarak uzun vadeli kararlı durum hatalarının etkisini büyütür. Çeşitli sıcaklıklarda çalışan yukarıdaki fırın örneğinde, uygulanan ısı fırını herhangi bir nedenle ayar noktasına getirmiyorsa, integral eylem PV hatası sıfıra düşürülene kadar orantısal bandı ayar noktasına göre giderek daha fazla hareket ettirir ve ayar noktası elde edilir.
Dakikada % artış
Bazı kontrolörler, "dakikada artış yüzdesini" sınırlama seçeneğini içerir. Bu seçenek, özellikle yaz aylarında hafif yükler sırasında küçük kazanların (3 MBTUH) stabilize edilmesinde çok yardımcı olabilir. Bir kamu hizmeti kazanı "ünitenin dakikada %5'e kadar bir oranda yükü değiştirmesi gerekebilir (IEA Coal Online - 2, 2007)".
Diğer teknikler
PV veya hata sinyalini filtrelemek mümkündür . Bunu yapmak, sistemin istenmeyen frekanslara verdiği yanıtı azaltarak kararsızlığı veya salınımları azaltmaya yardımcı olabilir. Birçok sistemin rezonans frekansı vardır . Bu frekansı filtreleyerek, salınım meydana gelmeden önce daha güçlü genel geri bildirim uygulanabilir, bu da sistemi sarsmadan daha duyarlı hale getirir.
Geri bildirim sistemleri birleştirilebilir. Olarak kaskad kontrolü , bir kontrol devresi, bir ayar noktası karşı ölçülmüş bir değişken kontrol algoritmaları geçerlidir, ancak daha sonra daha ziyade, doğrudan işlem değişkenlerini etkileyen başka bir kontrol döngüsü için değişen bir noktasını sağlar. Bir sistemin kontrol edilecek birkaç farklı ölçüm değişkeni varsa, bunların her biri için ayrı kontrol sistemleri mevcut olacaktır.
Birçok uygulamada kontrol mühendisliği , PID kontrolünden daha karmaşık kontrol sistemleri üretir. Bu tür alanlar uygulamaların örnekleri sinek kablo ile hava kontrol sistemleri, kimyasal tesisler ve petrol rafinerileri. Model öngörücü kontrol sistemleri, özel bilgisayar destekli tasarım yazılımı ve kontrol edilecek sistemin deneysel matematiksel modelleri kullanılarak tasarlanır .
Bulanık mantık
Bulanık mantık , mantık denetleyicilerinin kolay tasarımını karmaşık sürekli değişen sistemlerin kontrolüne uygulama girişimidir. Temel olarak, bulanık mantık sistemindeki bir ölçüm kısmen doğru olabilir.
Sistemin kuralları doğal dilde yazılmış ve bulanık mantığa çevrilmiştir. Örneğin, bir fırının tasarımı şu şekilde başlar: "Sıcaklık çok yüksekse, fırına giden yakıtı azaltın. Sıcaklık çok düşükse, fırına giden yakıtı artırın."
Gerçek dünyadan (bir fırının sıcaklığı gibi) alınan ölçümler bulanıklaştırılır ve mantık Boole mantığının aksine aritmetik olarak hesaplanır ve çıktıların kontrol ekipmanı için bulanıklığı giderilir .
Sağlam bir bulanık tasarım tek, hızlı bir hesaplamaya indirgendiğinde, geleneksel bir geri besleme döngüsü çözümüne benzemeye başlar ve bulanık tasarımın gereksiz olduğu görünebilir. Bununla birlikte, bulanık mantık paradigması, geleneksel yöntemlerin elde edilmesinin hantal veya maliyetli hale geldiği büyük kontrol sistemleri için ölçeklenebilirlik sağlayabilir.
Fiziksel uygulama
Kontrol sistemi uygulama yelpazesi, genellikle belirli bir makine veya cihaz için özel yazılıma sahip kompakt kontrolörlerden , büyük bir fiziksel tesis için endüstriyel proses kontrolü için dağıtılmış kontrol sistemlerine kadar uzanır .
Mantık sistemleri ve geri besleme kontrolörleri genellikle programlanabilir mantık kontrolörleri ile uygulanır .
Ayrıca bakınız
- Bina otomasyonu
- Katsayı diyagramı yöntemi
- Kontrol Mühendisliği
- kontrol teorisi
- sibernetik
- Dağıtılmış kontrol sistemi
- Düşüş hızı kontrolü
- Elektrik ve elektronik mühendislerinin eğitim ve öğretimi
- EPİKLER
- İyi regülatör
- Hiyerarşik kontrol sistemi
- HVAC kontrol sistemi
- Endüstriyel kontrol sistemi
- Hareket kontrolü
- Ağa bağlı kontrol sistemi
- Sayısal kontrol
- Algısal kontrol teorisi
- PID denetleyicisi
- Süreç kontrolü
- Süreç optimizasyonu
- Programlanabilir Mantık Denetleyici
- Örneklenmiş veri sistemi
- SCADA
- VisSim
Referanslar
|Vikikitap'ın şu konuda bir kitabı var: Kontrol Sistemleri|
- SystemControl Python ile kontrol döngüleri oluşturun, simüle edin veya HWIL kontrol döngüleri oluşturun. Kalman filtresi, diğerleri arasında LQG kontrolü içerir.
- Yarı Otonom Uçuş Yönü - Referans unmannedaircraft.org
- Kontrol sistemlerinin tasarımı ve analizi için Kontrol Sistemi Araç Kutusu .
- Kontrol Sistemleri Üreticisi Kontrol sistemlerinin tasarımı ve imalatı.
- Kontrol sistemlerinin analizi, tasarımı ve simülasyonu için Mathematica fonksiyonları
- Python Kontrol Sistemi (PyConSys) Python ile kontrol döngüleri oluşturun ve simüle edin. PID parametrelerini ayarlamak için AI.