Systemy sterowania służą do utrzymywania wartości zadanej lub pożądanej mocy wyjściowej poprzez regulację sygnału wejściowego. Systemy sterowania mogą być w pętli otwartej lub zamkniętej. Systemy sterowania w pętli otwartej nie mają pętli sprzężenia zwrotnego, a systemy sterowania w pętli zamkniętej tak.
W tym artykule wyjaśnię, czym są systemy sterowania, jak działają i jak są wykorzystywane w życiu codziennym. Ponadto podzielę się kilkoma zabawnymi faktami na temat systemów sterowania, których możesz nie znać!
W tym poście omówimy:
- Systemy sterowania - sztuka projektowania i wdrażania
- Sterowanie w pętli otwartej i pętli zamkniętej: różnica między samokorektą a stałym wyjściem
- Systemy kontroli sprzężenia zwrotnego: przenoszenie kontroli na wyższy poziom
- Sterowanie logiczne: uproszczone i skuteczne systemy sterowania
- Sterowanie włącz-wyłącz: Najprostsza metoda kontrolowania temperatury
- Kontrola liniowa: sztuka utrzymywania pożądanych wyników
- Logika rozmyta: dynamiczny system sterowania
- Wnioski
Systemy sterowania - sztuka projektowania i wdrażania
Systemy sterowania obejmują proces ustawiania i utrzymywania określonego wyjścia poprzez regulację sygnału wejściowego. Celem jest uzyskanie poprawnego i spójnego wyniku, pomimo wszelkich początkowych zmian w danych wejściowych. Proces obejmuje kilka etapów, w tym następujące:
- Stopień wejściowy: gdzie odbierany jest sygnał wejściowy
- Etap przetwarzania: gdzie sygnał jest przetwarzany i analizowany
- Stopień wyjściowy: gdzie generowany jest sygnał wyjściowy
Rola systemów sterowania w produkcji
Systemy sterowania odgrywają znaczącą rolę w produkcji i dystrybucji w wielu gałęziach przemysłu. Technologia automatyzacji jest często wykorzystywana do wdrażania tych systemów, które mogą być bardzo złożone i kosztowne w budowie. Do stworzenia doskonałego systemu sterowania wymagane są następujące elementy:
- Dobre zrozumienie kontrolowanego systemu
- Umiejętność zaprojektowania i wdrożenia odpowiedniego typu systemu sterowania
- Pakiet standardowych projektów i technik, które można zastosować w określonych sytuacjach
Kroki związane z tworzeniem systemu sterowania
Proces tworzenia systemu sterowania obejmuje następujące kroki:
- Projektowanie struktury systemu: Obejmuje to określenie rodzaju wymaganego systemu sterowania i elementów, które zostaną uwzględnione
- Implementacja systemu: obejmuje staranne zbudowanie systemu i przeprowadzenie testów, aby upewnić się, że działa poprawnie
- Utrzymanie systemu: obejmuje monitorowanie wydajności systemu w czasie i wprowadzanie wszelkich niezbędnych zmian w celu zapewnienia, że nadal działa poprawnie
Sterowanie w pętli otwartej i pętli zamkniętej: różnica między samokorektą a stałym wyjściem
Systemy sterowania w pętli otwartej są również znane jako sterowanie bez sprzężenia zwrotnego. Systemy te mają stałą moc wyjściową, która nie jest dostosowywana na podstawie żadnych danych wejściowych ani informacji zwrotnych. Struktura systemu sterowania w pętli otwartej jest typowa i obejmuje wejście, wartość zadaną i wyjście. Wejście to sygnał, który jest używany do wytworzenia pożądanego wyjścia. Wartość zadana jest wartością docelową dla wyjścia. Dane wyjściowe są wynikiem działania procesu.
Przykłady systemów sterowania w otwartej pętli obejmują:
- Toster: Dźwignia znajduje się w fazie „włączenia”, a grzałki nagrzewają się do ustalonej temperatury. Toster pozostaje nagrzany do wyznaczonego czasu, a tosty wyskakują.
- Tempomat w pojeździe: elementy sterujące są ustawione na utrzymanie stałej prędkości. System nie dostosowuje się do zmieniających się warunków, takich jak wzniesienia lub wiatr.
Sterowanie w pętli zamkniętej: samokorekta zapewniająca spójne wyjście
Systemy sterowania w pętli zamkniętej, znane również jako systemy sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, mają zdolność samokorygowania w celu utrzymania spójnej mocy wyjściowej. Różnica między systemem z pętlą otwartą a systemem z pętlą zamkniętą polega na tym, że system z pętlą zamkniętą ma zdolność samokorygowania, podczas gdy system z pętlą otwartą nie. Struktura systemu sterowania w pętli zamkniętej jest podobna do struktury systemu w pętli otwartej, ale zawiera pętlę sprzężenia zwrotnego. Pętla sprzężenia zwrotnego prowadzi od wyjścia do wejścia, umożliwiając systemowi ciągłe monitorowanie i dostosowywanie w oparciu o zmieniające się warunki.
Przykłady systemów sterowania w pętli zamkniętej obejmują:
- Kontrola temperatury w pomieszczeniu: System dostosowuje ogrzewanie lub chłodzenie na podstawie temperatury w pomieszczeniu, aby utrzymać stałą temperaturę.
- Sterowanie wzmocnieniem w systemie dźwiękowym: system dostosowuje wzmocnienie na podstawie sygnału wyjściowego, aby utrzymać stały poziom dźwięku.
Systemy kontroli sprzężenia zwrotnego: przenoszenie kontroli na wyższy poziom
Systemy sterowania ze sprzężeniem zwrotnym to rodzaj systemu sterowania, który wykorzystuje dane wyjściowe procesu do sterowania wejściem. Innymi słowy, system odbiera sygnał z kontrolowanego procesu i wykorzystuje ten sygnał do dostosowania wejścia w celu uzyskania pożądanej mocy wyjściowej.
Diagramy i nazwy związane z systemami kontroli sprzężenia zwrotnego
Istnieje kilka schematów i nazw związanych z systemami kontroli ze sprzężeniem zwrotnym, w tym:
- Schematy blokowe: przedstawiają elementy systemu sterowania ze sprzężeniem zwrotnym oraz sposób ich połączenia.
- Funkcje transferu: opisują związek między wejściem a wyjściem systemu.
- Systemy z zamkniętą pętlą: Są to systemy sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, w których sygnał wyjściowy jest przesyłany z powrotem do wejścia w celu utrzymania pożądanego poziomu wyjściowego.
- Systemy z otwartą pętlą: Są to systemy sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, w których wyjście nie jest przesyłane z powrotem do wejścia.
Sterowanie logiczne: uproszczone i skuteczne systemy sterowania
Sterowanie logiczne to rodzaj systemu sterowania, który wykorzystuje logikę Boole'a lub inne operacje logiczne do podejmowania decyzji i procesów sterowania. Jest to uproszczony i skuteczny system sterowania, który jest szeroko stosowany w różnych gałęziach przemysłu, w tym w produkcji, produkcji i elektrotechnice.
Jak działa sterowanie logiczne?
Systemy sterowania logicznego są zaprojektowane do obsługi różnych wejść i generowania pożądanego wyjścia. Podstawowy sposób działania jest następujący:
- System otrzymuje sygnał wejściowy, który zwykle ma postać prądu elektrycznego.
- Sygnał wejściowy jest następnie porównywany z zadaną wartością lub punktem, który jest przechowywany w systemie.
- Jeśli sygnał wejściowy jest prawidłowy, system wykona określoną akcję lub przełączy się na określone ustawienie.
- Jeśli sygnał wejściowy jest nieprawidłowy, system będzie nadal odbierał sygnał wejściowy, dopóki nie zostanie osiągnięta prawidłowa wartość.
Przykłady systemów sterowania logicznego
Systemy sterowania logicznego są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, w tym:
- Sygnalizacja świetlna: Sygnalizacja świetlna wykorzystuje sterowanie logiczne do przełączania między czerwonym, żółtym i zielonym światłem w zależności od natężenia ruchu.
- Roboty przemysłowe: Roboty przemysłowe wykorzystują sterowanie logiczne do wykonywania złożonych zadań, takich jak spawanie, malowanie i montaż.
- Pralki automatyczne: pralki automatyczne wykorzystują sterowanie logiczne do przełączania między różnymi cyklami prania i temperaturami na podstawie danych wprowadzonych przez użytkownika.
Sterowanie włącz-wyłącz: Najprostsza metoda kontrolowania temperatury
Sterowanie włącz-wyłącz było historycznie realizowane za pomocą połączonych przekaźników, zegarów krzywkowych i przełączników, które są zbudowane w sekwencji drabinkowej. Jednak wraz z postępem technologicznym sterowanie włącz-wyłącz można teraz wykonywać za pomocą mikrokontrolerów, wyspecjalizowanych programowalnych sterowników logicznych i innych urządzeń elektronicznych.
Przykłady sterowania włącz-wyłącz
Niektóre przykłady produktów wykorzystujących sterowanie włącz-wyłącz obejmują:
- Termostaty domowe, które włączają grzałkę, gdy temperatura w pomieszczeniu spadnie poniżej żądanej nastawy i wyłączają ją, gdy wzrośnie powyżej tej wartości.
- Lodówki, które włączają sprężarkę, gdy temperatura wewnątrz lodówki wzrośnie powyżej żądanej temperatury i wyłączają ją, gdy spadnie poniżej tej wartości.
- Pralki, które wykorzystują sterowanie włącz-wyłącz do uruchamiania różnych powiązanych ze sobą operacji sekwencyjnych.
- Siłowniki pneumatyczne, które wykorzystują sterowanie włącz-wyłącz w celu utrzymania określonego poziomu ciśnienia.
Zalety i wady sterowania włącz-wyłącz
Zalety sterowania włącz-wyłącz obejmują:
- Jest prosty i tani w wykonaniu.
- Jest łatwy do zrozumienia i wykonania.
- Może być stosowany w różnego rodzaju maszynach i operacjach.
Wady sterowania włącz-wyłącz obejmują:
- Powoduje gwałtowne zmiany w systemie, które mogą mieć negatywny wpływ na kontrolowany produkt lub proces.
- Może nie być w stanie dokładnie utrzymać żądanej wartości zadanej, szczególnie w systemach o dużych masach termicznych.
- Może to powodować zużycie przełączników elektrycznych i przekaźników, co prowadzi do częstych wymian.
Kontrola liniowa: sztuka utrzymywania pożądanych wyników
Teoria sterowania liniowego opiera się na kilku zasadach, które regulują zachowanie systemów sterowania liniowego. Zasady te obejmują:
- Zasada ignorowania niepożądanych skutków: Zasada ta zakłada, że wszelkie niepożądane skutki działania systemu można zignorować.
- Zasada addytywności: Zasada ta jest zgodna z koncepcją, że wyjście systemu liniowego jest sumą wyjść wytwarzanych przez każde wejście działające samodzielnie.
- Zasada superpozycji: Zasada ta zakłada, że wyjście systemu liniowego jest sumą wyjść wytwarzanych przez każde wejście działające samodzielnie.
Przypadek nieliniowy
Jeśli system nie przestrzega zasad addytywności i jednorodności, jest uważany za nieliniowy. W tym przypadku równanie definiujące jest zazwyczaj kwadratem wyrazów. Systemy nieliniowe nie zachowują się tak samo jak systemy liniowe i wymagają innych metod sterowania.
Logika rozmyta: dynamiczny system sterowania
Logika rozmyta to rodzaj systemu sterowania, który wykorzystuje zbiory rozmyte do konwersji sygnału wejściowego na sygnał wyjściowy. Jest to struktura matematyczna, która analizuje analogowe wartości wejściowe pod kątem zmiennych logicznych, które przyjmują ciągłe wartości od 0 do 1. Logika rozmyta to dynamiczny system sterowania, który może obsługiwać zmiany sygnału wejściowego i odpowiednio dostosowywać sygnał wyjściowy.
Przykłady Fuzzy Logic w działaniu
Logika rozmyta jest wykorzystywana w wielu dziedzinach do wykonywania szerokiego zakresu zadań kontrolnych. Oto kilka przykładów:
- Uzdatnianie wody: Logika rozmyta służy do sterowania przepływem wody przez oczyszczalnię. System dostosowuje natężenie przepływu w oparciu o aktualny stan wody i pożądaną jakość wyjściową.
- Systemy HVAC: Logika rozmyta służy do sterowania temperaturą i wilgotnością w budynku. System dostosowuje temperaturę i wilgotność w oparciu o aktualny stan budynku i pożądany poziom komfortu.
- Sterowanie ruchem: logika rozmyta służy do sterowania przepływem ruchu przez skrzyżowanie. System dostosowuje czas włączenia sygnalizacji świetlnej na podstawie aktualnych warunków drogowych.
Wnioski
Tak więc systemy sterowania są wykorzystywane do sterowania procesami w wielu gałęziach przemysłu i obejmują projektowanie, wdrażanie i utrzymywanie systemu, który utrzymuje stałą wydajność pomimo zmian na wejściu.
Nie możesz się pomylić z systemem sterowania, więc nie bój się użyć go w swoim następnym projekcie! Więc śmiało i kontroluj swój świat!
Jestem Joost Nusselder, założyciel Tools Doctor, content marketer i tata. Uwielbiam wypróbowywać nowy sprzęt, a wraz z moim zespołem od 2016 roku tworzę szczegółowe artykuły na blogu, aby pomóc lojalnym czytelnikom za pomocą narzędzi i wskazówek rzemieślniczych.
