Системи керування: Вступ до керування з відкритим і замкнутим контуром

Системи керування використовуються для підтримки заданого значення або бажаного виходу шляхом регулювання вхідного сигналу. Системи керування можуть бути з відкритим або замкнутим контуром. Системи керування з відкритим контуром не мають зворотного зв’язку, а системи із замкнутим контуром є.

У цій статті я поясню, що таке системи керування, як вони працюють і як використовуються в повсякденному житті. Крім того, я поділюся кількома цікавими фактами про системи керування, яких ви, можливо, не знали!

Системи керування – мистецтво проектування та впровадження

Системи керування передбачають процес налаштування та підтримки певного виходу шляхом регулювання вхідного сигналу. Мета полягає в тому, щоб створити правильний і послідовний вихід, незважаючи на будь-які початкові зміни вхідних даних. Процес складається з кількох етапів, зокрема:

• Вхідний каскад: де приймається вхідний сигнал
• Етап обробки: де сигнал обробляється та аналізується
• Вихідний каскад: де формується вихідний сигнал

Роль систем управління у виробництві

Системи керування відіграють значну роль у виробництві та розподілі в багатьох галузях. Технологія автоматизації часто використовується для реалізації цих систем, які можуть бути дуже складними та дорогими у створенні. Для створення відмінної системи управління потрібні такі елементи:

• Гарне розуміння системи, що контролюється
• Здатність проектувати та впроваджувати правильний тип системи керування
• Пакет стандартних конструкцій і методів, які можна застосовувати в конкретних ситуаціях

Етапи створення системи управління

Процес створення системи управління включає наступні етапи:

• Проектування структури системи: це передбачає визначення типу необхідної системи керування та компонентів, які будуть включені
• Впровадження системи: це передбачає ретельне створення системи та виконання тестів, щоб переконатися, що вона працює правильно
• Обслуговування системи: це передбачає моніторинг продуктивності системи протягом тривалого часу та внесення будь-яких необхідних змін для забезпечення її належного функціонування.

Управління з відкритим і замкнутим контуром: різниця між самокорекцією та фіксованим виходом

Системи керування з відкритим контуром також відомі як керування без зворотного зв’язку. Ці системи мають фіксований вихід, який не регулюється на основі жодних вхідних даних чи зворотного зв’язку. Структура системи керування з розімкнутим контуром є типовою та включає вхід, задане значення та вихід. Вхід - це сигнал, який використовується для отримання бажаного виходу. Задане значення є цільовим значенням для виходу. Вихід є результатом виконання процесу.

Приклади систем керування з відкритим контуром включають:

• Тостер: важіль знаходиться у фазі «ввімкнено», і котушки нагріваються до фіксованої температури. Тостер залишається нагрітим до призначеного часу, і тост спливає.
• Круїз-контроль у транспортному засобі: елементи керування налаштовані на підтримку фіксованої швидкості. Система не регулює залежно від умов, що змінюються, наприклад пагорбів або вітру.

Контроль із замкнутим циклом: самокорекція для стабільного виходу

Системи керування із замкнутим контуром, також відомі як системи керування зі зворотним зв’язком, мають здатність до самокоригування, щоб підтримувати постійний вихід. Різниця між системою з відкритим і замкнутим циклом полягає в тому, що система із замкнутим контуром має здатність до самокоригування, а система з відкритим контуром — ні. Структура системи керування із замкнутим контуром подібна до системи з відкритим контуром, але включає контур зворотного зв’язку. Цикл зворотного зв'язку веде від виходу до входу, дозволяючи системі постійно контролювати та коригувати на основі мінливих умов.

Приклади замкнутих систем керування:

• Контроль температури в кімнаті: система регулює нагрівання або охолодження на основі температури в кімнаті для підтримки сталої температури.
• Контроль посилення в звуковій системі: система регулює посилення на основі вихідного сигналу, щоб підтримувати постійний рівень звуку.

Системи контролю зі зворотним зв'язком: виведення контролю на новий рівень

Системи керування зі зворотним зв’язком — це тип системи керування, яка використовує вихідні дані процесу для керування вхідними. Іншими словами, система отримує сигнал від процесу, яким керують, і використовує цей сигнал для регулювання вхідних даних для досягнення бажаного результату.

Діаграми та назви, пов’язані з системами керування зворотним зв’язком

Існує кілька діаграм і назв, пов’язаних із системами керування зі зворотним зв’язком, зокрема:

• Блок-схеми: вони показують компоненти системи керування зі зворотним зв’язком і як вони з’єднані.
• Функції передачі: вони описують зв’язок між входом і виходом системи.
• Системи із замкнутим циклом: це системи керування зі зворотним зв’язком, де вихідний сигнал повертається на вхід для підтримки бажаного вихідного сигналу.
• Системи з відкритим контуром: це системи керування зі зворотним зв’язком, у яких вихідний сигнал не подається назад на вхід.

Логічне керування: спрощені та ефективні системи керування

Логічне керування — це тип системи керування, яка використовує булеву логіку або інші логічні операції для прийняття рішень і керування процесами. Це спрощена та ефективна система керування, яка широко використовується в різних галузях промисловості, включаючи виробництво, виробництво та електротехніку.

Як працює логічне керування?

Системи логічного керування призначені для обробки різноманітних вхідних даних і отримання бажаного результату. Основний метод роботи полягає в наступному:

• Система отримує вхідний сигнал, який зазвичай має форму електричного струму.
• Потім вхідний сигнал порівнюється із заданим значенням або точкою, яка зберігається в системі.
• Якщо вхідний сигнал правильний, система виконає певну дію або переключиться на певне налаштування.
• Якщо вхідний сигнал неправильний, система продовжуватиме отримувати вхідні дані, доки не буде досягнуто правильне значення.

Приклади систем логічного керування

Системи логічного керування використовуються в широкому діапазоні програм, зокрема:

• Світлофори: світлофори використовують логічне керування для перемикання між червоним, жовтим і зеленим світлом відповідно до потоку руху.
• Промислові роботи: промислові роботи використовують логічне керування для виконання складних завдань, таких як зварювання, фарбування та складання.
• Автоматичні пральні машини: автоматичні пральні машини використовують логічне керування для перемикання між різними циклами прання та температурами на основі введення користувача.

Контроль увімкнення-вимкнення: найпростіший спосіб контролю температури

Увімкнути-вимкнути керування історично реалізується за допомогою взаємопов’язаних реле, кулачкових таймерів і перемикачів, які сконструйовані в сходовій послідовності. Проте з розвитком технологій управління вмиканням і вимкненням тепер можна виконувати за допомогою мікроконтролерів, спеціалізованих програмованих логічних контролерів та інших електронних пристроїв.

Приклади керування включенням і вимкненням

Нижче наведено кілька прикладів продуктів, які використовують керування ввімкненням і вимкненням:

• Побутові термостати, які вмикають обігрівач, коли температура в приміщенні падає нижче бажаного значення, і вимикають його, коли вона стає вище.
• Холодильники, які включають компресор, коли температура всередині холодильника піднімається вище бажаної температури, і вимикають його, коли вона падає нижче.
• Пральні машини, які використовують керування ввімкненням і вимкненням для запуску різних взаємопов’язаних послідовних операцій.
• Пневматичні приводи, які використовують керування для підтримки певного рівня тиску.

Переваги та недоліки On-Off Control

Переваги включення-вимикання включають:

• Він простий і дешевий у виконанні.
• Його легко зрозуміти і виконати.
• Його можна використовувати в різних типах машин і операцій.

До недоліків увімкнення-вимкнення можна віднести:

• Це викликає різкі зміни в системі, що може спричинити негативний вплив на продукт або процес, що контролюється.
• Він може бути не в змозі точно підтримувати бажане задане значення, особливо в системах з великими тепловими масами.
• Це може призвести до зносу електричних перемикачів і реле, що призведе до частої заміни.

Лінійний контроль: Мистецтво підтримки бажаних результатів

Теорія лінійного керування базується на кількох принципах, які керують поведінкою лінійних систем керування. Ці принципи включають:

• Принцип ігнорування небажаних ефектів: Цей принцип передбачає, що будь-які небажані ефекти системи можна ігнорувати.
• Принцип адитивності: цей принцип дотримується концепції, згідно з якою вихід лінійної системи є сумою виходів, створених кожним входом, що діє окремо.
• Принцип суперпозиції: цей принцип передбачає, що вихід лінійної системи є сумою виходів, вироблених кожним входом, що діє окремо.

Нелінійний випадок

Якщо система не дотримується принципів адитивності та однорідності, вона вважається нелінійною. У цьому випадку визначальне рівняння зазвичай є квадратом членів. Нелінійні системи поводяться не так, як лінійні системи, і вимагають інших методів керування.

Нечітка логіка: динамічна система керування

Нечітка логіка — це тип системи керування, яка використовує нечіткі набори для перетворення вхідного сигналу на вихідний. Це математична структура, яка аналізує аналогові вхідні значення в термінах логічних змінних, які приймають безперервні значення від 0 до 1. Нечітка логіка — це динамічна система керування, яка може обробляти зміни у вхідному сигналі та відповідно регулювати вихідний сигнал.

Приклади нечіткої логіки в дії

Нечітка логіка використовується в багатьох сферах для виконання широкого спектру завдань керування. Ось кілька прикладів:

• Очищення води: нечітка логіка використовується для керування потоком води через очисні споруди. Система регулює швидкість потоку на основі поточного стану води та бажаної якості виходу.
• Системи HVAC: нечітка логіка використовується для контролю температури та вологості в будівлі. Система регулює температуру і вологість в залежності від поточного стану будівлі і бажаного рівня комфорту.
• Контроль руху: нечітка логіка використовується для керування потоком транспорту через перехрестя. Система регулює час увімкнення світлофорів відповідно до поточної ситуації на дорогах.

Висновок

Таким чином, системи управління використовуються для управління процесами в багатьох галузях промисловості, і вони передбачають проектування, впровадження та підтримку системи, яка підтримує послідовний вихід, незважаючи на зміни вхідних даних. 

Ви не помилитесь із системою керування, тому не бійтеся використовувати її у своєму наступному проекті! Отже, вперед і керуйте своїм світом!

Я Йост Нуссельдер, засновник Tools Doctor, контент-маркетолог і тато. Я люблю випробовувати нове обладнання, і разом зі своєю командою я створюю детальні статті в блозі з 2016 року, щоб допомогти лояльним читачам інструментами та порадами щодо виготовлення.