Kontrollsystem - Control system

Der Fliehkraftregler ist ein früher proportionaler Regelmechanismus.

Ein Steuerungssystem verwaltet, befiehlt, leitet oder regelt das Verhalten anderer Geräte oder Systeme mithilfe von Regelkreisen . Es kann von einem einzelnen Heizungsregler mit einem Thermostat , der einen Haushaltskessel steuert, bis hin zu großen industriellen Steuerungssystemen reichen, die zur Steuerung von Prozessen oder Maschinen verwendet werden.

Bei einer kontinuierlich modulierten Steuerung wird ein Feedback-Controller verwendet, um einen Prozess oder Vorgang automatisch zu steuern. Das Steuerungssystem vergleicht den Wert oder Status der gesteuerten Prozessvariablen (PV) mit dem gewünschten Wert oder Sollwert (SP) und wendet die Differenz als Steuersignal an, um den Prozessvariablenausgang der Anlage auf den gleichen Wert wie den Sollwert.

Für sequentielle und kombinatorische Logik wird Softwarelogik , wie beispielsweise in einer speicherprogrammierbaren Steuerung , verwendet.

Steuerung und Regelung

Es gibt zwei gängige Klassen von Steueraktionen: offener Regelkreis und geschlossener Regelkreis. In einem offenen Regelsystem ist die Regelaktion des Reglers unabhängig von der Prozessgröße. Ein Beispiel dafür ist ein Zentralheizungskessel, der nur durch eine Zeitschaltuhr gesteuert wird. Die Regelaktion ist das Ein- oder Ausschalten des Kessels. Die Prozessvariable ist die Gebäudetemperatur. Dieser Regler betreibt das Heizsystem für eine konstante Zeit unabhängig von der Temperatur des Gebäudes.

In einem geschlossenen Regelkreis ist die Regelwirkung des Reglers von der Soll- und Ist-Prozessgröße abhängig. Im Falle der Kesselanalogie würde dies einen Thermostat verwenden, um die Gebäudetemperatur zu überwachen und ein Signal zurückzugeben, um sicherzustellen, dass der Reglerausgang die Gebäudetemperatur nahe der am Thermostat eingestellten hält. Ein Regler mit geschlossenem Regelkreis hat einen Rückkopplungskreis, der sicherstellt, dass der Regler eine Regelaktion ausübt, um eine Prozessvariable auf den gleichen Wert wie den Sollwert zu regeln. Aus diesem Grund werden Regler auch als Feedback-Regler bezeichnet.

Feedback-Steuerungssysteme

Beispiel für einen einzelnen industriellen Regelkreis; zeigt eine kontinuierlich modulierte Steuerung des Prozessflusses.
Eine grundlegende Feedbackschleife

Im Fall von linearem Feedback - System, eine Steuerschleife einschließlich Sensoren , Regelalgorithmen und Aktoren in einem Versuch , angeordnet , um eine Variable in einem zu regulieren Sollwert (SP). Ein alltägliches Beispiel ist der Tempomat eines Straßenfahrzeugs; wo äußere Einflüsse wie Hügel zu Geschwindigkeitsänderungen führen würden und der Fahrer die Möglichkeit hat, die gewünschte Sollgeschwindigkeit zu ändern. Der PID-Algorithmus im Regler stellt die Ist-Geschwindigkeit auf optimale Weise mit minimaler Verzögerung oder Überschwingen auf die gewünschte Geschwindigkeit wieder her , indem er die Leistung des Fahrzeugmotors regelt.

Kontrollsysteme, die eine gewisse Wahrnehmung der Ergebnisse beinhalten, die sie erreichen wollen, nutzen Feedback und können sich in gewissem Maße an unterschiedliche Umstände anpassen. Open-Loop-Steuerungssysteme verwenden keine Rückkopplung und laufen nur auf vorab festgelegte Weisen.

Logiksteuerung

Logische Steuerungssysteme für Industrie- und Gewerbemaschinen wurden in der Vergangenheit durch miteinander verbundene elektrische Relais und Nockenschaltuhren mit Kontaktplanlogik implementiert . Heutzutage werden die meisten dieser Systeme mit Mikrocontrollern oder spezialisierteren speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) aufgebaut. Die Notation der Ladder Logic wird noch immer als Programmiermethode für SPS verwendet.

Logische Steuerungen können auf Schalter und Sensoren reagieren und die Maschine durch den Einsatz von Aktoren veranlassen, verschiedene Vorgänge zu starten und zu stoppen . Logiksteuerungen werden in vielen Anwendungen zur Sequenzierung mechanischer Operationen verwendet. Beispiele sind Aufzüge, Waschmaschinen und andere Systeme mit miteinander verbundenen Operationen. Ein automatisches Ablaufsteuerungssystem kann eine Reihe mechanischer Aktuatoren in der richtigen Reihenfolge auslösen, um eine Aufgabe auszuführen. Zum Beispiel können verschiedene elektrische und pneumatische Wandler einen Karton falten und kleben, ihn mit Produkt befüllen und dann in einer automatischen Verpackungsmaschine versiegeln.

SPS-Software kann auf viele verschiedene Arten geschrieben werden – Kontaktplan, SFC ( Sequentielle Funktionspläne ) oder Anweisungslisten .

Ein-Aus-Steuerung

Die Ein-Aus-Steuerung verwendet einen Feedback-Controller, der abrupt zwischen zwei Zuständen umschaltet. Ein einfaches bimetallische Inland Thermostat kann als eine Ein-Aus - Steuerung beschrieben. Wenn die Temperatur im Raum (PV) unter die Benutzereinstellung (SP) sinkt, wird die Heizung eingeschaltet. Ein weiteres Beispiel ist ein Druckschalter an einem Luftkompressor. Wenn der Druck (PV) unter den Sollwert (SP) fällt, wird der Kompressor mit Strom versorgt. Kühlschränke und Vakuumpumpen enthalten ähnliche Mechanismen. Einfache Ein-Aus-Steuerungssysteme wie diese können kostengünstig und effektiv sein.

Lineare Steuerung

Lineare Regelsysteme verwenden eine negative Rückkopplung , um ein Regelsignal zu erzeugen, um den geregelten PV auf dem gewünschten SP zu halten. Es gibt verschiedene Arten von Linearsteuerungssystemen mit unterschiedlichen Fähigkeiten.

Proportionale Kontrolle

Sprungantworten für ein System zweiter Ordnung, definiert durch die Übertragungsfunktion , wobei das Dämpfungsverhältnis und die ungedämpfte Eigenfrequenz ist.

Die Proportionalregelung ist eine Art lineares Regelungssystem, bei dem eine Korrektur auf die Regelgröße angewendet wird, die proportional zur Differenz zwischen dem gewünschten Wert (SP) und dem gemessenen Wert (PV) ist. Zwei klassische mechanische Beispiele sind das Dosierventil für den Schwimmer der Toilettenschüssel und der Fly-Ball-Regler .

Das Proportionalsteuersystem ist komplexer als ein Ein-Aus-Steuersystem, aber einfacher als ein Proportional-Integral-Differential- (PID)-Steuersystem, das beispielsweise in einem Autotempomat verwendet wird . Die Ein-Aus-Steuerung funktioniert für Systeme, die keine hohe Genauigkeit oder Reaktionsfähigkeit erfordern, ist jedoch für schnelle und rechtzeitige Korrekturen und Reaktionen nicht effektiv. Die Proportionalregelung überwindet dies, indem die manipulierte Variable (MV), wie beispielsweise ein Regelventil , auf einen Verstärkungspegel moduliert wird, der Instabilität vermeidet, aber die Korrektur so schnell wie möglich durch Anwenden des optimalen Betrags der Proportionalkorrektur vornimmt.

Ein Nachteil der proportionalen Steuerung besteht darin, dass sie den verbleibenden SP-PV-Fehler nicht beseitigen kann, da ein Fehler erforderlich ist, um eine proportionale Ausgabe zu erzeugen. Um dies zu umgehen, kann ein PI-Regler verwendet werden. Der PI-Regler verwendet einen Proportionalterm (P), um den groben Fehler zu beseitigen, und einen Integralterm (I), um den verbleibenden Offsetfehler durch Integrieren des Fehlers über die Zeit zu eliminieren.

In einigen Systemen gibt es praktische Grenzen für die Reichweite des MV. Zum Beispiel hat ein Heizgerät eine Grenze, wie viel Wärme es produzieren kann und ein Ventil kann nur so weit öffnen. Anpassungen der Verstärkung ändern gleichzeitig den Bereich der Fehlerwerte, über den der MV zwischen diesen Grenzen liegt. Die Breite dieses Bereichs in Einheiten der Fehlervariablen und damit des PV wird als Proportionalband (PB) bezeichnet.

Ofenbeispiel

Bei der Temperaturregelung eines Industrieofens ist es normalerweise besser, die Öffnung des Brennstoffventils proportional zum aktuellen Bedarf des Ofens zu steuern . Dies trägt dazu bei, Thermoschocks zu vermeiden und Wärme effektiver anzuwenden.

Bei niedrigen Verstärkungen wird nur eine kleine Korrekturmaßnahme angewendet, wenn Fehler erkannt werden. Das System kann sicher und stabil sein, kann jedoch als Reaktion auf sich ändernde Bedingungen träge sein. Fehler bleiben relativ lange unkorrigiert und das System wird überdämpft . Wenn die Proportionalverstärkung erhöht wird, reagieren solche Systeme schneller und Fehler werden schneller behandelt. Einen optimalen Wert für die Verstärkungseinstellung gibt es, wenn das Gesamtsystem als kritisch gedämpft bezeichnet wird . Erhöhungen der Schleifenverstärkung über diesen Punkt hinaus führen zu Schwingungen in der PV und ein solches System ist unterdämpft . Das Anpassen der Verstärkung, um ein kritisch gedämpftes Verhalten zu erreichen, wird als Abstimmung des Steuersystems bezeichnet.

Im unterbedämpften Fall heizt der Ofen schnell auf. Sobald der Sollwert erreicht ist, hält die gespeicherte Wärme im Heizungs-Subsystem und in den Wänden des Ofens die gemessene Temperatur über das erforderliche Maß hinaus an. Nach dem Überschreiten des Sollwertes fällt die Temperatur wieder ab und schließlich wird wieder geheizt. Jede Verzögerung beim Wiedererhitzen des Heizer-Subsystems lässt die Ofentemperatur weiter unter den Sollwert sinken und der Zyklus wiederholt sich. Die Temperaturschwankungen, die eine unterdämpfte Ofensteuerung erzeugt, sind unerwünscht.

In einem kritisch gedämpften System, wenn sich die Temperatur dem Sollwert nähert, beginnt die Wärmezufuhr zu reduzieren, die Heizrate des Ofens hat Zeit, sich zu verlangsamen und das System vermeidet ein Überschwingen. Ein Überschwingen wird auch in einem überdämpften System vermieden, aber ein überdämpftes System ist unnötig langsam, um anfänglich den Sollwert zu erreichen, wenn es auf externe Änderungen am System reagiert, z.

PID-Regelung

Ein Blockschaltbild eines PID-Reglers
Auswirkungen unterschiedlicher PID-Parameter (K p ,K i ,K d ) auf die Sprungantwort eines Systems.

Reine Proportionalregler müssen mit Restfehlern im System arbeiten. Obwohl PI-Regler diesen Fehler beseitigen, können sie dennoch träge sein oder Schwingungen erzeugen. Der PID-Regler behebt diese letzten Mängel, indem er eine Ableitungswirkung (D) einführt , um die Stabilität beizubehalten, während das Ansprechverhalten verbessert wird.

Derivative Aktion

Die Ableitung befasst sich mit der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit des Fehlers: Nähert sich die Messgröße dem Sollwert schnell an, wird der Antrieb frühzeitig zurückgefahren, damit er auf das erforderliche Niveau austrudeln kann; Umgekehrt, wenn der gemessene Wert beginnt, sich schnell vom Sollwert zu entfernen, wird zusätzliche Anstrengung aufgewendet – im Verhältnis zu dieser Geschwindigkeit, um ihn zurückzubewegen.

Bei Steuersystemen, die die Bewegungssteuerung eines schweren Gegenstands wie einer Waffe oder einer Kamera an einem fahrenden Fahrzeug beinhalten, kann die Ableitung eines gut abgestimmten PID-Reglers es ihm ermöglichen, einen Sollwert besser zu erreichen und zu halten als die meisten erfahrenen menschlichen Bediener. Eine zu starke Ableitung kann jedoch zu Schwingungen führen.

Integrale Aktion

Änderung der Reaktion des Systems zweiter Ordnung auf eine Sprungeingabe bei variierenden Ki-Werten.

Der Integralterm verstärkt den Effekt langfristiger stationärer Fehler, wobei ein immer größerer Aufwand betrieben wird, bis der Fehler beseitigt ist. In dem Beispiel aus dem Ofen bei verschiedenen Temperaturen oberhalb arbeiten, wenn die Wärme Wesen bis Sollwert bringt nicht den Ofen angelegt wird , egal aus welchem Grunde, integrale Aktion zunehmend bewegt das Proportionalband relativ zu dem Sollwert , bis der PV - Fehler auf Null reduziert wird , und der Sollwert ist erreicht.

Hochfahren % pro Minute

Einige Controller beinhalten die Option, den "Ramp-up % pro Minute" zu begrenzen. Diese Option kann sehr hilfreich sein, um kleine Kessel (3 MBTUH) zu stabilisieren, insbesondere im Sommer, bei geringer Last. Ein Versorgungskessel "kann erforderlich sein, um die Last mit einer Rate von bis zu 5 % pro Minute zu ändern (IEA Coal Online - 2, 2007)".

Andere Techniken

Es ist möglich, das PV- oder Fehlersignal zu filtern . Dies kann dazu beitragen, Instabilität oder Schwingungen zu reduzieren, indem die Reaktion des Systems auf unerwünschte Frequenzen reduziert wird. Viele Systeme haben eine Resonanzfrequenz . Durch das Herausfiltern dieser Frequenz kann eine stärkere Gesamtrückkopplung angewendet werden, bevor Schwingungen auftreten, wodurch das System reaktionsschneller wird, ohne sich selbst auseinanderzuschütteln.

Feedbacksysteme können kombiniert werden. Bei der Kaskadenregelung wendet ein Regelkreis Regelalgorithmen auf eine gemessene Variable gegen einen Sollwert an, liefert dann aber einen variierenden Sollwert an einen anderen Regelkreis, anstatt Prozessvariablen direkt zu beeinflussen. Wenn ein System mehrere unterschiedliche zu regelnde Messgrößen hat, sind für jede davon separate Regelsysteme vorhanden.

Die Regelungstechnik führt in vielen Anwendungen zu Regelsystemen, die komplexer sind als die PID-Regelung. Beispiele für solche Feldanwendungen sind Fly-by-Wire- Flugzeugsteuerungssysteme, Chemieanlagen und Ölraffinerien. Modellprädiktive Regelsysteme werden unter Verwendung spezieller Computer-Aided-Design- Software und empirischer mathematischer Modelle des zu regelnden Systems entworfen.

Fuzzy-Logik

Fuzzy-Logik ist ein Versuch, das einfache Design von logischen Controllern auf die Steuerung komplexer kontinuierlich variierender Systeme anzuwenden. Grundsätzlich kann eine Messung in einem Fuzzy-Logic-System teilweise wahr sein.

Die Regeln des Systems werden in natürlicher Sprache geschrieben und in Fuzzy-Logik übersetzt. Zum Beispiel würde die Auslegung eines Ofens mit folgenden Worten beginnen: "Wenn die Temperatur zu hoch ist, reduzieren Sie den Brennstoff zum Ofen. Wenn die Temperatur zu niedrig ist, erhöhen Sie den Brennstoff zum Ofen."

Messungen aus der realen Welt (z. B. die Temperatur eines Ofens) werden fuzzifiziert und die Logik wird arithmetisch berechnet, im Gegensatz zur booleschen Logik , und die Ausgänge werden für die Steuerungsausrüstung entfuzzifiziert .

Wenn ein robustes Fuzzy-Design auf eine einzelne, schnelle Berechnung reduziert wird, ähnelt es einer herkömmlichen Lösung mit Rückkopplungsschleife und es könnte erscheinen, dass das Fuzzy-Design unnötig war. Das Fuzzy-Logik-Paradigma kann jedoch Skalierbarkeit für große Steuersysteme bereitstellen, bei denen herkömmliche Verfahren unhandlich oder teuer in der Ableitung werden.

Fuzzy-Elektronik ist eine elektronische Technologie, die Fuzzy-Logik anstelle der in der digitalen Elektronik häufiger verwendeten Zwei-Werte-Logik verwendet .

Physische Umsetzung

Ein DCS-Kontrollraum, in dem auf großen Bildschirmen Anlageninformationen angezeigt werden. Die Bediener können jeden Teil des Prozesses von ihren Computerbildschirmen aus betrachten und steuern, während sie auf den größeren Bildschirmen den Überblick über die Anlage behalten.
Ein Bedienfeld einer hydraulischen Transferpresse-Maschine

Die Bandbreite der Implementierung von Steuerungssystemen reicht von kompakten Steuerungen, oft mit dedizierter Software für eine bestimmte Maschine oder ein bestimmtes Gerät, bis hin zu verteilten Steuerungssystemen für die industrielle Prozesssteuerung für eine große physische Anlage .

Logiksysteme und Rückkopplungssteuerungen werden normalerweise mit speicherprogrammierbaren Steuerungen implementiert .

Siehe auch

Verweise

Externe Links