Основы систем управления: контуры управления

Введение

Основные элементы систем управления

Контур управления является фундаментальным элементом систем управления в целом и промышленных систем управления в частности. Он состоит из датчика процесса, функции контроллера и конечного управляющего элемента (FCE), который управляет процессом, необходимым для автоматической корректировки значения измеряемой переменной процесса (PV) до значения заданной уставки (SP). Существует два основных класса контуров управления: разомкнутый и замкнутый. В системе управления с разомкнутым контуром управляющее воздействие от контроллера не зависит от переменной процесса. Примером может служить котел центрального отопления, управляемый только таймером. Управляющее воздействие заключается во включении или выключении котла. Переменной процесса является температура в помещении. Этот контроллер управляет системой отопления в течение фиксированного времени, независимо от температуры в помещении. В системе управления с замкнутым контуром управляющее воздействие от контроллера зависит от желаемой и фактической переменной процесса. В случае аналогии с котлом, это будет использование термостата для контроля температуры в помещении и передачи сигнала обратной связи, чтобы выход контроллера поддерживал температуру в помещении близкой к заданной на термостате. Контроллер с замкнутым контуром имеет контур обратной связи, который обеспечивает выполнение контроллером управляющего воздействия для поддержания переменной процесса на уровне уставки. По этой причине контроллеры с замкнутым контуром также называются контроллерами обратной связи. Согласно определению Британского института стандартов, система управления с замкнутым контуром – это «система управления, обладающая контролирующей обратной связью, сигнал отклонения, формируемый в результате этой обратной связи, используется для управления действием конечного управляющего элемента таким образом, чтобы стремиться свести отклонение к нулю». Аналогично, «Система обратной связи – это система, которая стремится поддерживать заданное соотношение между одной переменной системы и другой, сравнивая функции этих переменных и используя разницу в качестве средства управления».

A control loop is the fundamental building block of control systems in general and industrial control systems in particular. It consists of the process sensor, the controller function, and the final control element (FCE) which controls the process necessary to automatically adjust the value of a measured process variable (PV) to equal the value of a desired set point (SP). There are two common classes of control loop: open loop and closed loop. In an open loop control system, the control action from the controller is independent of the process variable. An example of this is a central heating boiler controlled only by a timer. The control action is the switching on or off of the boiler. The process variable is the building temperature. This controller operates the heating system for a constant time regardless of the temperature of the building. In a closed loop control system, the control action from the controller is dependent on the desired and actual process variable. In the case of the boiler analogy, this would utilize a thermostat to monitor the building temperature, and feed back a signal to ensure the controller output maintains the building temperature close to that set on the thermostat. A closed loop controller has a feedback loop which ensures the controller exerts a control action to control a process variable at the same value as the setpoint. For this reason, closed loop controllers are also called feedback controllers. The definition of a closed loop control system according to the British Standards Institution is "a control system possessing monitoring feedback, the deviation signal formed as a result of this feedback being used to control the action of a final control element in such a way as to tend to reduce the deviation to zero." Likewise; "A Feedback Control System is a system which tends to maintain a prescribed relationship of one system variable to another by comparing functions of these variables and using the difference as a means of control."

Другие примеры

Примером системы управления является круиз-контроль автомобиля, устройство, предназначенное для поддержания скорости транспортного средства на постоянном заданном или опорном значении, установленном водителем. Контроллером является круиз-контроль, объектом управления – автомобиль, а системой – автомобиль вместе с круиз-контролем. Выходом системы является скорость автомобиля, а управление осуществляется посредством положения дроссельной заслонки двигателя, определяющего величину вырабатываемой двигателем мощности. Простейший способ реализации круиз-контроля – зафиксировать положение дроссельной заслонки при включении круиз-контроля водителем. Однако, если круиз-контроль включен на дороге с перепадами высот, автомобиль будет двигаться медленнее в гору и быстрее под гору. Такой контроллер называется разомкнутым, поскольку отсутствует обратная связь: измерение выходного сигнала системы (скорости автомобиля) не используется для изменения управления (положения дроссельной заслонки). В результате, контроллер не может компенсировать воздействия, влияющие на автомобиль, например, изменение уклона дороги. В системе управления с обратной связью данные от датчика, измеряющего скорость автомобиля (выход системы), поступают в контроллер, который непрерывно сравнивает текущее значение скорости с заданным опорным значением. Разница между ними, называемая ошибкой, определяет положение дроссельной заслонки (управление). В итоге, скорость автомобиля подстраивается под заданную скорость (поддерживается желаемый выход системы). Теперь, когда автомобиль движется в гору, разница между измеренной скоростью (входом) и опорным значением непрерывно определяет положение дроссельной заслонки. По мере снижения измеренной скорости ниже опорной, разница увеличивается, дроссельная заслонка открывается, мощность двигателя возрастает, и автомобиль ускоряется. Таким образом, контроллер динамически компенсирует изменения скорости автомобиля. Ключевой идеей этих систем управления является контур обратной связи: контроллер влияет на выход системы, который, в свою очередь, измеряется и возвращается обратно контроллеру.

Применение

На прилагаемой диаграмме показана схема управления с одним входом измеряемой переменной (PV), функцией управления и выходным сигналом управления (CO), который модулирует действие конечного регулирующего элемента (FCE) для изменения значения управляющего воздействия (MV). В данном примере показана схема управления потоком, но она может быть использована для управления уровнем, температурой или любым другим параметром процесса, требующим регулирования. Функция управления, представленная на схеме, является функцией "промежуточного типа", например, ПИД-регулятор, который способен генерировать выходной сигнал в полном диапазоне от 0 до 100%, а не только сигнал "включено/выключено". В этом примере значение PV всегда совпадает со значением MV, поскольку они связаны последовательно в трубопроводе. Однако, если бы подача от клапана осуществлялась в резервуар, а функция контроллера заключалась в управлении уровнем с помощью наливного клапана, то PV представлял бы собой уровень в резервуаре, а MV – расход в резервуар. Функция контроллера может быть реализована в виде дискретного контроллера или функционального блока в компьютерной системе управления, такой как распределенная система управления (РСУ) или программируемый логический контроллер (ПЛК). Во всех случаях схема управления является удобным и полезным способом представления функции управления и ее взаимодействия с технологическим процессом. На практике, на уровне управления технологическим процессом, схемы управления обычно обозначаются стандартными символами на принципиальной схеме трубопроводов и контрольно-измерительных приборов (P&ID), которая отображает все элементы измерения и управления процессом на основе технологической схемы. Для детального представления создается схема подключения контура управления, показывающая электрические и пневматические соединения. Это значительно упрощает диагностику и ремонт, поскольку все соединения для одной функции управления отображаются на одной схеме.