Řídicí prvky s potlačováním vlivu poruchy vs. prvky se sledováním změn žádané hodnoty

-- 17.11.11 09:35

Návrh zpětnovazební řídicí smyčky začíná pochopením jejího úkolu a chování procesu.

Hlavním úkolem zpětnovazebního řídicího prvku je obvykle buď potlačení vlivu poruchy, nebo sledování změny žádané hodnoty. Řídicí prvek navržený pro potlačení vlivu poruch podnikne kroky pro přivedení regulované veličiny zpět na žádanou hodnotu vždy, když porucha nebo zatížení procesu způsobí odchylku. Například tempomat automobilu přidá motoru plyn, když zjistí pokles rychlosti vozu při jízdě do kopce. Bude pokračovat v potlačování vlivu nebo překonání dodatečného zatížení vozu, dokud nepojede znovu tak rychle, jak to původně stanovil řidič. Řídicí prvky s potlačením vlivu poruchy jsou nejvhodnější pro aplikace, kde je žádaná hodnota konstantní a regulovaná veličina musí zůstat blízko ní. Naproti tomu řídicí prvek se sledováním změn žádané hodnoty je vhodný tam, kde se očekává, že se bude žádaná hodnota často měnit a řídicí prvek bude muset podle toho zvyšovat nebo snižovat regulovanou veličinu.

Luxusní automobil vybavený automatickým regulátorem teploty bude sledovat měnící se žádanou hodnotu tím, že bude měnit výstup vytápění vždy, když řidič zvolí jinou teplotu interiéru. Řídicí prvky s potlačováním vlivu poruchy a se sledováním žádané hodnoty mohou vzájemně odvádět práci toho druhého (tempomat automobilu může zvyšovat rychlost, když chce řidič jet rychleji, a regulátor teploty vozu může omezovat topení, když začne hřát slunce), ale optimální výkon obvykle vyžaduje, aby byl řídicí prvek navržen nebo vyladěn pro jednu nebo druhou roli. Abyste pochopili důvod, představte si zpětnovazební smyčku zobrazenou na diagramu řídicí smyčky a dopady náhlé poruchy na proces nebo náhlé změny žádané hodnoty regulované veličiny.

Operace s otevřenou smyčkou

Nejprve předpokládejme, že je zpětnovazební cesta deaktivována, takže řídicí prvek funguje v režimu otevřené smyčky. Po výskytu poruchy se regulovaná veličina začne měnit podle výše zátěže a fyzických charakteristik procesu. V případě tempomatu začne náhlý odpor způsobený kopcem zpomalovat vozidlo v závislosti na strmosti kopce a setrvačnosti vozu. Pamatujte, že řídicí prvek s otevřenou smyčkou ve skutečnosti nehraje roli při určování, jak proces reaguje na poruchu, takže vyladění řídicího prvku není relevantní, když je zpětná vazba deaktivována. Naproti tomu změna žádané hodnoty projde řídicím prvkem a procesem i bez jakékoli zpětné vazby. Viz diagram „operace s otevřenou smyčkou“.V důsledku toho se matematická setrvačnost řídicího prvku kombinuje s fyzickou setrvačností procesu a reakce procesu na změnu žádané hodnoty bude pomalejší ve srovnání s reakcí na náhlou poruchu.

To platí, zejména pokud je řídicí prvek vybaven integračním zásahem. Složka „I“ v řídicím prvku PID odfiltrovává nebo průměruje účinky změny žádané hodnoty tím, že zavádí časovou prodlevu, která omezuje rychlost, s jakou může výsledný řídicí zásah provádět změnu. V příkladu regulace teploty v automobilu je tento jev patrný, když začne řídicí prvek zesilovat topení po přijetí požadavku řidiče na teplejší interiér. Vytápění začne zvyšovat teplotu vozu tempem, které závisí na tom, jak agresivně je řídicí prvek vyladěn a jak rychle teplota interiéru reaguje na vytápění. Přímá porucha, jako jsou náhlé sluneční paprsky, by obvykle zvýšila teplotu vozu mnohem rychleji, protože výsledek poruchy by nezávisel na náběhové křivce řídicího prvku.

Operace s uzavřenou smyčkou

Samozřejmě že řídicí prvek s otevřenou smyčkou nedokáže potlačovat poruchy ani sledovat změny žádané hodnoty. Položte si tedy otázku: „Co se stane s touto prodlouženou reakční dobou na změnu žádané hodnoty, když povolíme zpětnou vazbu?“ Obvykle nic. Není-li řídicí prvek vybaven filtrováním žádané hodnoty, reakce na změnu žádané hodnoty zůstane pomalejší než reakce na poruchu, a to stejnou měrou jako v případě otevřené smyčky. Viz diagram „operace s uzavřenou smyčkou“. Ale protože tento rozdíl v reakční době lze v plném rozsahu připisovat časové prodlevě řídicího prvku, mohlo by vás napadnout, zda je stále možné vytvořit řídicí prvek se sledováním změn žádané hodnoty, který je tak rychlý jako jeho protějšek využívající potlačení vlivu poruchy tím, že se vyladí na okamžitou reakci na změnu žádané hodnoty. Ani to by nefungovalo.

Odstranění časové prodlevy řídicího prvku by vyžadovalo deaktivovat jeho integrační zásah a to by zabránilo regulované veličině, aby vůbec kdy dosáhla žádané hodnoty. Více informací o tomto jevu trvalé regulační odchylky naleznete v článku „Tři tváře PID“ v časopise Control Engineering Česko z června 2007. Matematickou setrvačnost řídicího prvku lze na druhou stranu minimalizovat bez úplného potlačení jeho schopnosti odstranit chyby mezi regulovanou veličinou a žádanou hodnotou. Rychlý řídicí prvek se sledováním změn žádané hodnoty by vyžadoval zvláště agresivní vyladění, ale to by neměl být problém, pokud by řídicí prvek nikdy nepotřeboval potlačit vliv poruchy.

Došlo-li by však k náhlému narušení procesu nečekaným zatížením, řídicí prvek se sledováním změn žádané hodnoty by reagoval přemrštěně a způsobil by zbytečnou oscilaci regulované veličiny. A naopak řídicí prvek vyladěný na potlačování vlivu náhlých poruch by byl obvykle pomalý při implementaci změny žádané hodnoty. Naštěstí by typická zpětnovazební řídicí smyčka v průmyslové aplikaci fungovala po delší dobu s konstantní žádanou hodnotou, takže jediné zpoždění, které by u řídicího prvku s potlačením vlivu poruchy obvykle nastalo, je zpoždění z důvodu změny žádané hodnoty při spuštění.

Výhrady

To však bohužel není konec příběhu o dvou přístupech – potlačování vlivu poruchy a sledování změn žádané hodnoty. Dosud jsme předpokládali, že proces je vystaven náhlým poruchám, např. když vůz s tempomatem náhle přijede na prudký kopec. Mnoho, ne-li většina aplikací se zpětnovazebním řízením se setkává s mnohem méně dramatickými poruchami – spíše s táhlými stoupáními než s prudkými kopci. Když fyzické vlastnosti procesu omezují rychlost, s jakou mohou poruchy ovlivňovat regulovanou veličinu, reakce na poruchu bude někdy pomalejší než reakce na změnu žádané hodnoty, nikoli rychlejší. V takových případech by agresivnější vyladění bylo vhodné spíše pro řídicí prvek s potlačováním vlivu poruchy než pro jeho protějšek se sledováním změny žádané hodnoty. Klíčovým faktorem je určit, který scénář pro daný proces platí a jaký úkol má řídicí prvek plnit.

Vance VanDoren je konzultant časopisu Control Engineering. Kontaktujte jej na adrese controleng@msn.com.

Autor: Vance VanDoren,, Ph.D., P.E.