Ein Regelsystem ist ein Gerät oder Satz von Geräten, um das Verhalten anderer Geräte oder Systems zu führen, zu befehlen, zu leiten oder zu regeln.

Es gibt zwei allgemeine Klassen von Regelsystemen, mit vielen Schwankungen und Kombinationen: Logik oder folgende Steuerungen, und Feed-Back oder geradlinige Steuerungen. Es gibt auch Fuzzy-Logik, die versucht, etwas von der Designeinfachheit der Logik mit dem Dienstprogramm der geradlinigen Kontrolle zu verbinden. Einige Geräte oder Systeme sind von Natur aus nicht kontrollierbar.

Übersicht

Der Begriff "Regelsystem" kann auf die im Wesentlichen manuellen Steuerungen angewandt werden, die einem Maschinenbediener erlauben, zum Beispiel eine hydraulische Presse vielleicht einschließlich der Logik zu schließen und zu öffnen, so dass es nicht bewegt werden kann, wenn Sicherheitswächter im Platz nicht sind.

Ein automatisches folgendes Regelsystem kann eine Reihe von mechanischen Auslösern in der richtigen Folge auslösen, um eine Aufgabe durchzuführen. Zum Beispiel können verschiedene elektrische und pneumatische Wandler falten und einen Pappkasten kleben, ihn mit dem Produkt füllen und ihn dann in einer automatischen Verpackungsmaschine siegeln.

Im Fall von geradlinigen Feed-Back-Systemen wird eine Kontrollschleife, einschließlich Sensoren, Kontrollalgorithmen und Auslöser, auf solch eine Mode eingeordnet wie, um zu versuchen, eine Variable an einem setpoint oder Bezugswert zu regeln. Ein Beispiel davon kann die Kraftstoffversorgung an einen Brennofen vergrößern, wenn eine gemessene Temperatur fällt. PID Kontrolleure sind üblich und in Fällen wie das wirksam. Regelsysteme, die etwas Abfragung der Ergebnisse einschließen, dass sie versuchen zu erreichen, machen vom Feed-Back Gebrauch und können sich einigermaßen so an unterschiedliche Verhältnisse anpassen. Regelsysteme der offenen Schleife machen vom Feed-Back nicht Gebrauch, und laufen nur auf vorherbestimmte Weisen.

Logikkontrolle

Logikregelsysteme für die industrielle und kommerzielle Maschinerie wurden an der Hauptstromspannung mit miteinander verbundenen Relais, bestimmter Verwenden-Leiter-Logik historisch durchgeführt. Heute werden die meisten solche Systeme mit programmierbaren Logikkontrolleuren (PLCs) oder Mikrokontrolleuren gebaut. Die Notation der Leiter-Logik ist noch im Gebrauch als ein Programmieridiom für PLCs.

Logikkontrolleure können auf Schalter, leichte Sensoren, Druck-Schalter usw. antworten, und können die Maschinerie veranlassen, verschiedene Operationen anzufangen und aufzuhören. Logiksysteme sind an die Folge mechanische Operationen in vielen Anwendungen gewöhnt. PLC Software kann auf viele verschiedene Weisen - Leiter-Diagramme, SFC - folgende Funktionstafeln oder in als Behauptungslisten bekannten Sprachbegriffen geschrieben werden.

Beispiele schließen Aufzüge, Waschmaschinen und andere Systeme mit in Wechselbeziehung stehenden hin und her Operationen ein.

Logiksysteme sind ziemlich leicht zu entwickeln, und können sehr komplizierte Operationen behandeln. Einige Aspekte des Logiksystemdesigns machen von der Logik von Boolean Gebrauch.

Auf - von der Kontrolle

Zum Beispiel ist ein Thermostat eine einfache Kontrolle des negativen Feed-Backs: Wenn die Temperatur (die "Prozessvariable" oder PV) unter einem Satz-Punkt (SP) geht, wird die Heizung eingeschaltet. Ein anderes Beispiel konnte ein Druck sein schalten einen Luftkompressor ein: Wenn der Druck (PV) Fälle unter der Schwelle (SP), die Pumpe angetrieben wird. Kühlschränke und Vakuumpumpen enthalten ähnliche Mechanismen, die rückwärts funktionieren, aber noch negatives Feed-Back zur Verfügung stellen, um Fehler zu korrigieren.

Einfach auf - von Feed-Back-Regelsystemen wie diese sind preiswert und wirksam. In einigen Fällen, wie das einfache Kompressor-Beispiel, können sie eine gute Designwahl vertreten.

In den meisten Anwendungen auf - von der Feed-Back-Kontrolle muss etwas Rücksicht anderen Kosten, wie Abnutzung von Kontrollklappen und vielleicht anderen Anlauf-Kosten gegeben werden, wenn Macht jedes Mal die PV-Fälle wiederholt angewandt wird. Deshalb, praktisch auf - von Regelsystemen werden entworfen, um magnetische Trägheit, gewöhnlich in der Form eines deadband, eines Gebiets um den Setpoint-Wert einzuschließen, in dem keine Kontrollhandlung vorkommt. Die Breite von deadband kann regulierbar oder programmierbar sein.

Geradlinige Kontrolle

Geradlinige Regelsysteme verwenden geradliniges negatives Feed-Back, um ein auf anderen Variablen mathematisch gestütztes Kontrollsignal zu erzeugen, in der Absicht erhalten den kontrollierten Prozess innerhalb einer annehmbaren Betriebsreihe aufrecht.

Die Produktion von einem geradlinigen Regelsystem in den kontrollierten Prozess kann in der Form eines direkt variablen Signals wie eine Klappe sein, die 0 oder 100 % offen oder überall zwischen sein kann. Manchmal ist das nicht ausführbar, und so, nach dem Rechnen des Stroms hat Verbesserungssignal verlangt, kann ein geradliniges Regelsystem einen Auslöser, wie eine Pumpe, Motor oder Heizung, völlig auf und dann völlig von wieder wiederholt schalten, den Aufgabe-Zyklus mit der Pulsbreite-Modulation regelnd.

Proportionale Kontrolle

man die Temperatur eines Industriebrennofens kontrolliert, ist es gewöhnlich besser, die Öffnung der Kraftstoffklappe im Verhältnis zu den aktuellen Bedürfnissen nach dem Brennofen zu kontrollieren. Das hilft, Temperaturschocke zu vermeiden, und wendet Hitze effektiver an.

Proportionale Systeme des negativen Feed-Backs basieren auf dem Unterschied zwischen dem erforderlichen Satz-Punkt (SP) und Prozess-Wert (PV). Dieser Unterschied wird den Fehler genannt. Macht wird im direkten Verhältnis zum gemessenen Fehler des Stroms im richtigen Sinn angewandt, um dazu zu neigen, den Fehler zu reduzieren (und so positives Feed-Back zu vermeiden). Der Betrag der Verbesserungshandlung, an die wegen eines gegebenen Fehlers gewandt wird, wird durch den Gewinn oder die Empfindlichkeit des Regelsystems gesetzt.

An niedrigen Gewinnen wird nur eine kleine Verbesserungshandlung angewandt, wenn Fehler entdeckt werden: Das System kann sicher und stabil sein, aber kann als Antwort auf sich ändernde Bedingungen träge sein; Fehler werden unkorrigiert seit relativ langen Zeiträumen der Zeit bleiben: Es wird überbefeuchtet. Wenn der proportionale Gewinn vergrößert wird, werden solche Systeme mehr antwortend, und Fehler werden mit schneller befasst. Es gibt einen optimalen Wert für die Gewinn-Einstellung, wenn, wie man sagt, das gesamte System kritisch befeuchtet wird. Zunahmen in der Schleifenverstärkung außer diesem Punkt werden zu Schwingungen im PV führen; solch ein System ist mit geringer Dämpfung.

Brennofen-Beispiel mit geringer Dämpfung

Im Brennofen-Beispiel, nehmen Sie an, dass die Temperatur zu einem Satz-Punkt zunimmt, an dem, sagen wir, 50 % der verfügbaren Leistung für den Steady-State-erforderlich sein werden. Bei niedrigen Temperaturen werden 100 % der verfügbaren Leistung angewandt. Wenn der PV innerhalb ist, sagen Sie 10 ° des SP der Hitzeeingang beginnt, vom proportionalen Kontrolleur reduziert zu werden. (Bemerken Sie, dass das 20 ° "proportionales Band" (PB) vom vollen bis keinen Macht-Eingang einbezieht, der gleichmäßig um den Setpoint-Wert ausgebreitet ist). Am setpoint wird der Kontrolleur 50-%-Macht, wie erforderlich, anwenden, aber die versorgte Streuhitze innerhalb des Heizungssubsystems und in den Wänden des Brennofens wird die gemessene Temperatur behalten, die sich außer erhebt, was erforderlich ist. An 10 ° über SP erreichen wir die Spitze des proportionalen Bandes (PB), und keine Macht wird angewandt, aber die Temperatur kann fortsetzen, sich noch weiter vor dem Anfang zu erheben, zurückzuweichen. Schließlich, da der PV in den PB zurückweicht, wird Hitze wieder angewandt, aber jetzt sind die Heizung und die Brennofen-Wände zu kühl, und die Temperatur fällt zu niedrig, bevor sein Fall angehalten wird, so dass die Schwingungen weitergehen.

Übergedämpftes Brennofen-Beispiel

Die Temperaturschwingungen, die ein Brennofen-Regelsystem mit geringer Dämpfung erzeugt, sind aus vielen Gründen unannehmbar, einschließlich der Verschwendung des Brennstoffs und Zeit (kann jeder Schwingungszyklus viele Minuten nehmen), sowie die Wahrscheinlichkeit der ernsten Überhitzung sowohl der Brennofen als auch sein Inhalt.

Nehmen Sie an, dass der Gewinn des Regelsystems drastisch reduziert wird und es wiederangefangen wird. Als die Temperaturannäherungen, sagen Sie 30 ° unter SP (60 ° proportionales Band oder PB jetzt), der Hitzeeingang beginnt, reduziert zu werden, die Rate der Heizung des Brennofens hat Zeit, um sich zu verlangsamen, und, weil die Hitze noch weiter reduziert wird, wird es schließlich bis zum Satz-Punkt gebracht, gerade als 50-%-Macht-Eingang erreicht wird und der Brennofen, wie erforderlich, funktioniert. Es gab eine verschwendete Zeit, während der Brennofen zu seiner Endtemperatur mit nur 52 % dann 51 % der verfügbaren Leistung gekrochen ist, aber mindestens wurde keinem Schaden zugefügt. Durch die sorgfältige Erhöhung des Gewinns (d. h. das Reduzieren der Breite des PB) kann dieses übergedämpfte und träge Verhalten verbessert werden, bis das System für diese SP Temperatur kritisch befeuchtet wird. Das Tun davon ist als 'Einstimmung' des Regelsystems bekannt. Ein gut abgestimmtes proportionales Brennofen-Temperaturregelsystem wird gewöhnlich wirksamer sein als auf - von der Kontrolle, aber wird noch langsamer antworten, als der Brennofen unter der geschickten manuellen Kontrolle gekonnt hat.

PID Kontrolle

Abgesondert von der trägen Leistung, um Schwingungen zu vermeiden, besteht ein anderes Problem mit der proportional-einzigen Kontrolle darin, dass Macht-Anwendung immer im direkten Verhältnis zum Fehler ist. Im Beispiel oben haben wir angenommen, dass die Satz-Temperatur mit 50-%-Macht aufrechterhalten werden konnte. Was geschieht, wenn der Brennofen in einer verschiedenen Anwendung erforderlich ist, wo eine höhere Satz-Temperatur 80-%-Macht verlangen wird, ihn aufrechtzuerhalten? Wenn der Gewinn schließlich auf 50 ° PB gesetzt wurde, dann wird 80-%-Macht nicht angewandt, wenn der Brennofen 15 ° unter setpoint nicht ist, so für diese andere Anwendung werden sich die Maschinenbediener immer merken müssen, die setpoint Temperatur 15 ° höher zu setzen, als wirklich erforderlich. Diese 15 °-Zahl ist auch nicht völlig unveränderlich: Es wird von der Umgebungsumgebungstemperatur, sowie den anderen Faktoren abhängen, die Hitzeverlust von oder Absorption innerhalb des Brennofens betreffen.

Um diese zwei Probleme aufzulösen, schließen viele Feed-Back-Kontrollschemas mathematische Erweiterungen ein, um Leistung zu verbessern. Die allgemeinsten Erweiterungen führen zu proportionaler integriert-abgeleiteter Kontrolle, oder PID-Kontrolle (hat pee-eye-dee ausgesprochen).

Abgeleitete Handlung

Der abgeleitete Teil ist mit der Rate der Änderung des Fehlers mit der Zeit beschäftigt: Wenn sich die gemessene Variable dem setpoint schnell nähert, dann wird der Auslöser früh zurückgesetzt, um ihm zu erlauben, zum erforderlichen Niveau im Leerlauf zu fahren; umgekehrt, wenn der gemessene Wert beginnt, schnell vom setpoint abzurücken, wird Extraanstrengung — im Verhältnis zu dieser Schnelligkeit angewandt — um zu versuchen, es aufrechtzuerhalten.

Abgeleitete Handlung lässt sich ein Regelsystem viel intelligenter benehmen. Auf Systemen wie die Temperatur eines Brennofens, oder vielleicht der Bewegungskontrolle eines schweren Artikels wie eine Pistole oder Kamera auf einem bewegenden Fahrzeug kann die abgeleitete Handlung eines gut abgestimmten PID Kontrolleurs ihm erlauben, einen setpoint besser zu erreichen und aufrechtzuerhalten, als die meisten menschlichen Fachmaschinenbediener gekonnt haben.

Wenn abgeleitete Handlung überangewandt wird, kann sie zu Schwingungen auch führen. Ein Beispiel würde ein PV sein, der schnell zu SP zugenommen hat, dann früh gehinkt ist und geschienen ist, vor dem setpoint vor dem Steigen dazu wieder "zurückzuweichen".

Integrierte Handlung

Der integrierte Begriff vergrößert die Wirkung von langfristigen Steady-Statefehlern, ständig steigende Anstrengung anwendend, bis sie zur Null abnehmen. Im Beispiel des Brennofens über dem Arbeiten bei verschiedenen Temperaturen, wenn die Hitze, die wird anwendet, dem Brennofen bis zu setpoint aus beliebigem Grund nicht bringt, bewegt integrierte Handlung zunehmend das proportionale Band hinsichtlich des setpoint, bis der PV Fehler auf die Null reduziert wird und der setpoint erreicht wird.

Andere Techniken

Es ist möglich, den PV oder das Fehlersignal zu filtern. Das Tun kann so die Antwort des Systems zu unerwünschten Frequenzen reduzieren, um zu helfen, Instabilität oder Schwingungen zu reduzieren. Einige Feed-Back-Systeme werden an gerade einer Frequenz schwingen. Durch das Herausfiltern dieser Frequenz kann "steiferes" Feed-Back angewandt werden, das System mehr antwortend machend, ohne sich einzeln zu wanken.

Feed-Back-Systeme können verbunden werden. In der Kaskadekontrolle wendet eine Kontrollschleife Kontrollalgorithmen auf eine gemessene Variable gegen einen setpoint an, aber stellt dann ein Verändern setpoint einer anderen Kontrollschleife zur Verfügung, anstatt Prozessvariablen direkt zu betreffen. Wenn ein System mehrere verschiedene gemessene zu kontrollierende Variablen hat, werden getrennte Regelsysteme für jeden von ihnen da sein.

Die Kontrolltechnik in vielen Anwendungen erzeugt Regelsysteme, die komplizierter sind als PID-Kontrolle. Beispiele solcher Felder schließen Flugzeugsregelsysteme der Fliege durch die Leitung, chemische Werke und Ölraffinerien ein. Prophetische Musterregelsysteme werden mit der spezialisierten Software "geholfenes Design des Computers" und empirische mathematische Modelle des zu kontrollierenden Systems entworfen.

Fuzzy-Logik

Fuzzy-Logik ist ein Versuch, das leichte Design von Logikkontrolleuren zu bekommen und noch unaufhörlich unterschiedliche Systeme zu kontrollieren. Grundsätzlich kann ein Maß in einem Fuzzy-Logik-System teilweise wahr sein, dieser ist, wenn ja 1 ist und nicht 0 ist, kann ein krauses Maß zwischen 0 und 1 sein.

Die Regeln des Systems werden auf natürlicher Sprache geschrieben und in die Fuzzy-Logik übersetzt. Zum Beispiel würde das Design für einen Brennofen anfangen mit: "Wenn die Temperatur zu hoch ist, reduzieren Sie den Brennstoff auf den Brennofen. Wenn die Temperatur zu niedrig ist, vergrößern Sie den Brennstoff zum Brennofen."

Maße von der echten Welt (wie die Temperatur eines Brennofens) werden zu Werten zwischen 0 und 1 durch das Sehen umgewandelt, wo sie auf einem Dreieck fallen. Gewöhnlich ist der Tipp des Dreiecks der maximale mögliche Wert, der zu "1" übersetzt.

Fuzzy-Logik modifiziert dann Logik von Boolean, um arithmetisch zu sein. Gewöhnlich ist die "nicht" Operation "Produktion = 1 - Eingang," "und" Operation ist "Produktion = Eingang 1, der mit dem Eingang 2 multipliziert ist," und "oder" ist "Produktion = 1 - ((1 - Eingang 1) multipliziert mit (1 - Eingang 2))". Das nimmt zur Arithmetik von Boolean ab, wenn Werte auf 0 und 1, statt des erlaubten eingeschränkt werden, um sich im Einheitszwischenraum [0,1] zu erstrecken.

Der letzte Schritt ist zu "defuzzify" eine Produktion. Grundsätzlich machen die krausen Berechnungen einen Wert zwischen der Null und ein. Diese Zahl wird verwendet, um einen Wert auf einer Linie auszuwählen, deren Hang und Höhe den krausen Wert zu einer wirklichen Produktionszahl umwandeln. Die Zahl kontrolliert dann echte Maschinerie.

Wenn die Dreiecke richtig definiert werden und Regeln richtig sind, dass das Ergebnis ein gutes Regelsystem sein kann.

Wenn ein robustes krauses Design in eine einzelne, schnelle Berechnung reduziert wird, beginnt es, einer herkömmlichen Feed-Back-Schleife-Lösung zu ähneln, und es könnte scheinen, dass das krause Design unnötig war. Jedoch kann das Fuzzy-Logik-Paradigma Skalierbarkeit für große Regelsysteme zur Verfügung stellen, wo herkömmliche Methoden unhandlich oder kostspielig werden, um abzustammen.

Krause Elektronik ist eine elektronische Technologie, die Fuzzy-Logik statt der in der Digitalelektronik allgemeiner verwendeten Zwei-Werte-Logik verwendet.

Physische Durchführungen

Da moderne kleine Mikroprozessoren so preiswert sind (häufig die Vereinigten Staaten von weniger als 1 $), ist es sehr üblich, Regelsysteme einschließlich Feed-Back-Schleifen mit Computern häufig in einem eingebetteten System durchzuführen. Die Feed-Back-Steuerungen werden vorgetäuscht, indem sie den Computer gehabt wird, machen periodische Maße und dann das Rechnen von diesem Strom von Maßen (sieh Digitalsignal, probierte Datensysteme in einer Prozession zu gehen).

Computer eifern mit Logikgeräten durch das Bilden von Maßen von Schalter-Eingängen, das Rechnen einer logischen Funktion von diesen Maßen wett und dann die Ergebnisse zu elektronisch kontrollierten Schaltern verbreitend.

Logiksysteme und Feed-Back-Kontrolleure werden gewöhnlich mit programmierbaren Logikkontrolleuren durchgeführt, die von elektrischen Versorgungshäusern verfügbare Geräte sind. Sie schließen einen kleinen Computer und ein vereinfachtes System für die Programmierung ein. Meistenteils werden sie mit Personalcomputern programmiert.

Logikkontrolleure sind auch von Relais gebaut worden, hydraulische und pneumatische Geräte und Elektronik mit beiden Transistoren und Vakuumtuben (können Feed-Back-Kontrolleure auch auf diese Weise gebaut werden).

Siehe auch

• Steuerungstheorie
• Steuerungstheorie von Perceptual
• Verteiltes Regelsystem
• Programmierbarer Logikkontrolleur
• Programmierbarer Automationskontrolleur
• PID Kontrolleur
• HVAC Regelsystem
• Herabhängen-Geschwindigkeit kontrolliert
• Kontrollieren Sie Technik
• Probierte Datensysteme
• Gebäude der Automation
• VisSim
• EPEN
• SCADA
• Mitwirkende Diagramm-Methode
• Ausbildung und Ausbildung von elektrischen und Elektronikingenieuren
• Industrieregelsysteme
• Prozesssteuerung
• Prozessoptimierung
• Vernetztes Regelsystem
• Hierarchisches Regelsystem
• Bewegungskontrolle
• Kybernetik
• Guter Gangregler

Links

• Halbautonome Flugrichtung - Verweisung unmannedaircraft.org
• Regelsystem-Werkzeugkasten für das Design und die Analyse von Regelsystemen.