Τεχνολογία συστήματος ελέγχου

Σύστημα ελέγχου, με το οποίο μια μεταβλητή ποσότητα ή ένα σύνολο μεταβλητών ποσοτήτων κατασκευάζεται για να συμμορφώνεται με έναν καθορισμένο κανόνα. Διατηρεί τις τιμές των ελεγχόμενων ποσοτήτων σταθερές ή τις αναγκάζει να ποικίλλουν με καθορισμένο τρόπο. Ένα σύστημα ελέγχου μπορεί να λειτουργεί με ηλεκτρική ενέργεια, με μηχανικά μέσα, με πίεση ρευστού (υγρό ή αέριο) ή με συνδυασμό μέσων. Όταν ένας υπολογιστής εμπλέκεται στο κύκλωμα ελέγχου, είναι συνήθως πιο βολικό να λειτουργεί ηλεκτρικά όλα τα συστήματα ελέγχου, αν και τα μίγματα είναι αρκετά κοινά.

Ανάπτυξη συστημάτων ελέγχου.

Τα συστήματα ελέγχου σχετίζονται στενά με την έννοια του αυτοματισμού (qv), αλλά οι δύο βασικοί τύποι συστημάτων ελέγχου, feedforward και feedback, έχουν κλασική καταγωγή. Ο αργαλειός που εφευρέθηκε από τον Τζόζεφ Ζακάρντ της Γαλλίας το 1801 είναι ένα πρώιμο παράδειγμα feedforward. ένα σετ καρτών διάτρητων προγραμματίζει τα μοτίβα που υφαίνονται από τον αργαλειό. Δεν χρησιμοποιήθηκαν πληροφορίες από τη διαδικασία για τη διόρθωση της λειτουργίας του μηχανήματος. Παρόμοιος έλεγχος τροφοδοσίας ενσωματώθηκε σε έναν αριθμό εργαλειομηχανών που εφευρέθηκαν τον 19ο αιώνα, στον οποίο ένα εργαλείο κοπής ακολούθησε το σχήμα ενός μοντέλου.

Ο έλεγχος ανατροφοδότησης, στον οποίο οι πληροφορίες από τη διαδικασία χρησιμοποιούνται για τη διόρθωση της λειτουργίας ενός μηχανήματος, έχει ακόμη μεγαλύτερο ιστορικό. Οι Ρωμαίοι μηχανικοί διατήρησαν τη στάθμη του νερού για το σύστημα υδραγωγείων τους μέσω πλωτών βαλβίδων που άνοιξαν και έκλεισαν σε κατάλληλα επίπεδα. Ο ολλανδικός ανεμόμυλος του 17ου αιώνα διατηρήθηκε στραμμένος προς τον άνεμο με τη δράση ενός βοηθητικού πτερυγίου που κινήθηκε ολόκληρο το πάνω μέρος του μύλου. Το πιο διάσημο παράδειγμα από τη Βιομηχανική Επανάσταση είναι ο κυβερνήτης flyball του James Watt του 1769, μια συσκευή που ρύθμιζε τη ροή ατμού προς μια μηχανή ατμού για να διατηρήσει τη σταθερή ταχύτητα του κινητήρα παρά το μεταβαλλόμενο φορτίο.

Η πρώτη θεωρητική ανάλυση ενός συστήματος ελέγχου, το οποίο παρουσίασε ένα μοντέλο διαφορικής εξίσωσης του κυβερνήτη Watt, δημοσιεύθηκε από τον James Clerk Maxwell, τον Σκωτία φυσικό, τον 19ο αιώνα. Το έργο του Maxwell σύντομα γενικεύτηκε και η θεωρία ελέγχου αναπτύχθηκε από διάφορες συνεισφορές, συμπεριλαμβανομένης μιας αξιοσημείωτης μελέτης του αυτόματου συστήματος διεύθυνσης του αμερικανικού θωρηκτού «New Mexico», που δημοσιεύθηκε το 1922. Η δεκαετία του 1930 είδε την ανάπτυξη ηλεκτρικών ανατροφοδοτήσεων σε τηλεφωνικά υπεραστικά ενισχυτές και της γενικής θεωρίας του σερβομηχανισμού, με τον οποίο μια μικρή ποσότητα ισχύος ελέγχει μια πολύ μεγάλη ποσότητα και κάνει αυτόματες διορθώσεις. Ο πνευματικός ελεγκτής, βασικός στην ανάπτυξη πρώιμων αυτοματοποιημένων συστημάτων στη βιομηχανία χημικών και πετρελαίου, και ο αναλογικός υπολογιστής ακολούθησε. Όλες αυτές οι εξελίξεις αποτέλεσαν τη βάση για την επεξεργασία της θεωρίας και των εφαρμογών του συστήματος ελέγχου κατά τη διάρκεια του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου, όπως αντιαεροπορικές μπαταρίες και συστήματα ελέγχου πυρκαγιάς.

Οι περισσότερες από τις θεωρητικές μελέτες καθώς και τα πρακτικά συστήματα μέχρι τον Β 'Παγκόσμιο Πόλεμο ήταν μονόπλευρα - δηλαδή, περιελάμβαναν απλώς ανατροφοδότηση από ένα μόνο σημείο και διόρθωση από ένα μόνο σημείο. Στη δεκαετία του 1950 ερευνήθηκε το δυναμικό των συστημάτων πολλαπλού βρόχου. Σε αυτά τα συστήματα η ανάδραση θα μπορούσε να ξεκινήσει σε περισσότερα από ένα σημεία μιας διαδικασίας και οι διορθώσεις να γίνονται από περισσότερα από ένα σημεία. Η εισαγωγή αναλογικού και ψηφιακού υπολογιστικού εξοπλισμού άνοιξε το δρόμο για πολύ μεγαλύτερη πολυπλοκότητα στη θεωρία αυτόματου ελέγχου, μια πρόοδος από τότε που ονομάστηκε «σύγχρονος έλεγχος» για να το διακρίνει από τον παλαιότερο, απλούστερο, «κλασικό έλεγχο».

Βασικές αρχές.

Με λίγες και σχετικά ασήμαντες εξαιρέσεις, όλα τα σύγχρονα συστήματα ελέγχου έχουν δύο κοινά χαρακτηριστικά. Αυτά μπορούν να περιγραφούν ως εξής: (1) Η τιμή της ελεγχόμενης ποσότητας ποικίλλει από έναν κινητήρα (αυτή η λέξη χρησιμοποιείται με μια γενικευμένη έννοια), η οποία αντλεί τη δύναμή της από μια τοπική πηγή και όχι από ένα εισερχόμενο σήμα. Έτσι υπάρχει μεγάλη ποσότητα ισχύος για την πραγματοποίηση των απαραίτητων παραλλαγών της ελεγχόμενης ποσότητας και για να διασφαλιστεί ότι οι λειτουργίες μεταβολής της ελεγχόμενης ποσότητας δεν φορτώνουν και παραμορφώνουν τα σήματα από τα οποία εξαρτάται η ακρίβεια του ελέγχου. (2) Ο ρυθμός με τον οποίο τροφοδοτείται ενέργεια στον κινητήρα για να επιφέρει μεταβολές στην τιμή της ελεγχόμενης ποσότητας καθορίζεται λίγο πολύ άμεσα από κάποια συνάρτηση της διαφοράς μεταξύ των πραγματικών και των επιθυμητών τιμών της ελεγχόμενης ποσότητας. Έτσι, για παράδειγμα, στην περίπτωση ενός θερμοστατικού συστήματος θέρμανσης, η παροχή καυσίμου στον κλίβανο καθορίζεται από το εάν η πραγματική θερμοκρασία είναι υψηλότερη ή χαμηλότερη από την επιθυμητή θερμοκρασία. Ένα σύστημα ελέγχου που διαθέτει αυτά τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά ονομάζεται σύστημα ελέγχου κλειστού βρόχου ή σερβομηχανισμός (βλέπε σχήμα). Τα συστήματα ελέγχου ανοιχτού βρόχου είναι συστήματα τροφοδοσίας.

Η σταθερότητα ενός συστήματος ελέγχου καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την απόκρισή του σε ένα ξαφνικά εφαρμοζόμενο σήμα, ή παροδικό. Εάν ένα τέτοιο σήμα προκαλεί την υπερβολική διόρθωση του συστήματος, μπορεί να προκύψει ένα φαινόμενο που ονομάζεται κυνήγι στο οποίο το σύστημα πρώτα διορθώνεται σε μία κατεύθυνση και στη συνέχεια υπερεκκρίνεται στην αντίθετη κατεύθυνση. Επειδή το κυνήγι είναι ανεπιθύμητο, λαμβάνονται συνήθως μέτρα για τη διόρθωσή του. Το πιο συνηθισμένο διορθωτικό μέτρο είναι η προσθήκη απόσβεσης κάπου στο σύστημα. Η απόσβεση επιβραδύνει την απόκριση του συστήματος και αποφεύγει την υπερβολική υπέρβαση ή την υπερβολική διόρθωση. Η απόσβεση μπορεί να έχει τη μορφή ηλεκτρικής αντίστασης σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα, την εφαρμογή ενός φρένου σε ένα μηχανικό κύκλωμα, ή την πίεση του λαδιού μέσω ενός μικρού στομίου όπως στην απόσβεση του αμορτισέρ.

Μια άλλη μέθοδος εξακρίβωσης της σταθερότητας ενός συστήματος ελέγχου είναι να προσδιοριστεί η απόκριση συχνότητάς του - δηλαδή, η απόκρισή του σε ένα συνεχώς μεταβαλλόμενο σήμα εισόδου σε διάφορες συχνότητες. Η έξοδος του συστήματος ελέγχου συγκρίνεται στη συνέχεια με την είσοδο σε σχέση με το πλάτος και τη φάση - δηλαδή, ο βαθμός με τον οποίο τα σήματα εισόδου και εξόδου είναι εκτός βήματος. Η απόκριση συχνότητας μπορεί είτε να προσδιοριστεί πειραματικά - ειδικά σε ηλεκτρικά συστήματα - είτε να υπολογιστεί μαθηματικά εάν είναι γνωστές οι σταθερές του συστήματος. Οι μαθηματικοί υπολογισμοί είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι για συστήματα που μπορούν να περιγραφούν με συνηθισμένες γραμμικές διαφορικές εξισώσεις. Οι συντομεύσεις γραφικών βοηθούν επίσης πολύ στη μελέτη των αποκρίσεων του συστήματος.

Αρκετές άλλες τεχνικές εισέρχονται στο σχεδιασμό προηγμένων συστημάτων ελέγχου. Ο προσαρμοστικός έλεγχος είναι η ικανότητα του συστήματος να τροποποιεί τη λειτουργία του για να επιτυγχάνει τον καλύτερο δυνατό τρόπο λειτουργίας. Ένας γενικός ορισμός του προσαρμοστικού ελέγχου συνεπάγεται ότι ένα προσαρμοστικό σύστημα πρέπει να είναι ικανό να εκτελεί τις ακόλουθες λειτουργίες: παροχή συνεχών πληροφοριών σχετικά με την παρούσα κατάσταση του συστήματος ή αναγνώριση της διαδικασίας. σύγκριση της τρέχουσας απόδοσης του συστήματος με την επιθυμητή ή βέλτιστη απόδοση και λήψη απόφασης για αλλαγή του συστήματος ώστε να επιτευχθεί η καθορισμένη βέλτιστη απόδοση · και ξεκινώντας μια σωστή τροποποίηση για να οδηγήσει το σύστημα ελέγχου στο βέλτιστο. Αυτές οι τρεις αρχές - ταυτοποίηση, απόφαση και τροποποίηση - είναι εγγενείς σε οποιοδήποτε προσαρμοστικό σύστημα.

Ο έλεγχος δυναμικής βελτιστοποίησης απαιτεί το σύστημα ελέγχου να λειτουργεί με τέτοιο τρόπο ώστε να ικανοποιείται ένα συγκεκριμένο κριτήριο απόδοσης. Αυτό το κριτήριο διατυπώνεται συνήθως με όρους που το ελεγχόμενο σύστημα πρέπει να μετακινείται από το πρωτότυπο σε νέα θέση στον ελάχιστο δυνατό χρόνο ή στο ελάχιστο συνολικό κόστος.

Ο έλεγχος εκμάθησης συνεπάγεται ότι το σύστημα ελέγχου περιέχει επαρκή υπολογιστική ικανότητα, ώστε να μπορεί να αναπτύξει αναπαραστάσεις του μαθηματικού μοντέλου του συστήματος που ελέγχεται και μπορεί να τροποποιήσει τη δική του λειτουργία για να επωφεληθεί αυτής της πρόσφατα αναπτυγμένης γνώσης. Έτσι, το σύστημα ελέγχου μάθησης είναι μια περαιτέρω ανάπτυξη του προσαρμοστικού ελεγκτή.

Ο έλεγχος πολλαπλών μεταβλητών χωρίς αλληλεπίδραση περιλαμβάνει μεγάλα συστήματα στα οποία το μέγεθος των εσωτερικών μεταβλητών εξαρτάται από τις τιμές άλλων σχετικών μεταβλητών της διαδικασίας. Επομένως, οι τεχνικές ενός βρόχου της κλασικής θεωρίας ελέγχου δεν αρκούν. Πρέπει να χρησιμοποιηθούν πιο εξελιγμένες τεχνικές για την ανάπτυξη κατάλληλων συστημάτων ελέγχου για τέτοιες διαδικασίες.