Системы управления без обратной связи

Введение

Система управления, вход которой не зависит от выхода.

В теории управления, контроллер разомкнутого цикла, также называемый контроллером без обратной связи, является частью системы управления, в которой управляющее воздействие ("вход" в систему) не зависит от "выхода процесса" – переменной, подлежащей регулированию. Он не использует обратную связь для определения, достиг ли его выход желаемого результата команды или заданного значения процесса. Существует множество систем управления разомкнутого цикла, например, включение/выключение клапанов, оборудования, освещения, двигателей или нагревателей, где результат управления известен как приблизительно достаточный в нормальных условиях без необходимости обратной связи. Преимущество использования управления разомкнутого цикла в таких случаях заключается в уменьшении количества компонентов и упрощении схемы. Однако система разомкнутого цикла не может корректировать собственные ошибки или компенсировать внешние возмущения, в отличие от системы управления замкнутого цикла.

Приложения

Контроллер с разомкнутым циклом часто используется в простых процессах из-за его простоты и низкой стоимости, особенно в системах, где обратная связь не критична. Типичным примером может служить бытовая сушилка для одежды старой модели, где продолжительность работы полностью зависит от оценки оператора, без автоматической обратной связи по сухости белья. Например, система орошения с программируемым временем включения может быть примером системы с разомкнутым циклом, если она не измеряет влажность почвы для обратной связи. Даже если на газон льет дождь, система орошения будет включаться по расписанию, расходуя воду. Другой пример – шаговый двигатель, используемый для управления положением. Подача потока электрических импульсов заставляет его вращаться ровно на соответствующее количество шагов, отсюда и название. Если бы предполагалось, что двигатель всегда выполняет каждое движение правильно, без обратной связи по положению, это было бы управлением с разомкнутым циклом. Однако, если присутствует энкодер положения или датчики, определяющие начальную или конечную позицию, это управление с замкнутым циклом, как во многих струйных принтерах. Недостатком управления шаговым двигателем с разомкнутым циклом является то, что если нагрузка на механизм слишком велика или двигатель пытается двигаться слишком быстро, шаги могут быть пропущены. Контроллер не имеет средств для обнаружения этого, поэтому механизм продолжает работать с небольшой погрешностью до момента сброса. По этой причине более сложные роботы и станки вместо шаговых двигателей используют сервомоторы, которые включают в себя энкодеры и контроллеры с замкнутым циклом. Однако управление с разомкнутым циклом очень полезно и экономично для четко определенных систем, где зависимость между входным сигналом и результирующим состоянием может быть надежно смоделирована математической формулой. Например, определение напряжения, подаваемого на электродвигатель, приводящий в движение постоянную нагрузку, для достижения желаемой скорости, является хорошим применением. Но если нагрузка непредсказуема и становится чрезмерной, скорость двигателя может изменяться в зависимости от нагрузки, а не только от напряжения, и контроллера с разомкнутым циклом будет недостаточно для обеспечения воспроизводимого управления скоростью. Примером этого является конвейерная система, которая должна двигаться с постоянной скоростью. При постоянном напряжении конвейер будет двигаться с разной скоростью в зависимости от нагрузки на двигатель (в данном случае представленной весом объектов на конвейере). Для того, чтобы конвейер работал с постоянной скоростью, напряжение двигателя должно регулироваться в зависимости от нагрузки. В этом случае необходима система управления с замкнутым циклом. Таким образом, существует множество применений управления с разомкнутым циклом, например, включение и выключение клапанов, освещения, двигателей или нагревателей, где результат известен как приблизительно достаточный без необходимости обратной связи.

An open loop controller is often used in simple processes because of its simplicity and low cost, especially in systems where feedback is not critical. A typical example would be an older model domestic clothes dryer, for which the length of time is entirely dependent on the judgement of the human operator, with no automatic feedback of the dryness of the clothes. For example, an irrigation sprinkler system, programmed to turn on at set times could be an example of an open loop system if it does not measure soil moisture as a form of feedback. Even if rain is pouring down on the lawn, the sprinkler system would activate on schedule, wasting water. Another example is a stepper motor used for control of position. Sending it a stream of electrical pulses causes it to rotate by exactly that many steps, hence the name. If the motor was always assumed to perform each movement correctly, without positional feedback, it would be open loop control. However, if there is a position encoder, or sensors to indicate the start or finish positions, then that is closed loop control, such as in many inkjet printers. The drawback of open loop control of steppers is that if the machine load is too high, or the motor attempts to move too quickly, then steps may be skipped. The controller has no means of detecting this and so the machine continues to run slightly out of adjustment until reset. For this reason, more complex robots and machine tools instead use servomotors rather than stepper motors, which incorporate encoders and closed loop controllers. However, open loop control is very useful and economic for well defined systems where the relationship between input and the resultant state can be reliably modeled by a mathematical formula. For example, determining the voltage to be fed to an electric motor that drives a constant load, in order to achieve a desired speed would be a good application. But if the load were not predictable and became excessive, the motor's speed might vary as a function of the load not just the voltage, and an open loop controller would be insufficient to ensure repeatable control of the velocity. An example of this is a conveyor system that is required to travel at a constant speed. For a constant voltage, the conveyor will move at a different speed depending on the load on the motor (represented here by the weight of objects on the conveyor). In order for the conveyor to run at a constant speed, the voltage of the motor must be adjusted depending on the load. In this case, a closed loop control system would be necessary. Thus there are many open loop controls, such as switching valves, lights, motors or heaters on and off, where the result is known to be approximately sufficient without the need for feedback.

Комбинация с системой управления обратной связью

Система управления с обратной связью, такая как ПИД-регулятор, может быть улучшена путем объединения обратной связи (или управления по замкнутому контуру) ПИД-регулятора с управлением по разомкнутому контуру (или прямой связью). Знания о системе (например, желаемое ускорение и инерция) могут быть использованы для прямой связи и объединены с выходным сигналом ПИД-регулятора для повышения общей производительности системы. Значение прямой связи само по себе часто может обеспечивать большую часть выходного сигнала регулятора. ПИД-регулятор в первую очередь должен компенсировать любую оставшуюся разницу или ошибку между заданным значением (SP) и реакцией системы на управление по разомкнутому контуру. Поскольку выходное значение прямой связи не подвержено влиянию обратной связи от процесса, оно никогда не может вызвать колебания в системе управления, тем самым улучшая реакцию системы без ущерба для ее стабильности. Прямая связь может основываться на заданном значении и на дополнительных измеренных возмущениях. Взвешивание заданного значения является простой формой прямой связи. Например, в большинстве систем управления движением для ускорения контролируемой механической нагрузки требуется большая сила от привода. Если ПИД-регулятор контура скорости используется для управления скоростью нагрузки и задания силы, прикладываемой приводом, то полезно взять желаемое мгновенное ускорение, соответствующим образом масштабировать это значение и добавить его к выходному сигналу ПИД-регулятора контура скорости. Это означает, что всякий раз, когда нагрузка ускоряется или замедляется, от привода задается пропорциональное количество силы, независимо от значения обратной связи. В этой ситуации ПИД-контур использует информацию обратной связи для изменения комбинированного выходного сигнала, чтобы уменьшить оставшуюся разницу между заданным значением процесса и значением обратной связи. Работая совместно, комбинированный регулятор прямой связи по разомкнутому контуру и ПИД-регулятор по замкнутому контуру могут обеспечить более быструю реакцию системы управления в некоторых ситуациях.