Regulacja proporcjonalna do czasu

Regulacja proporcjonalna do czasu jest swego rodzaju modulacją wypełnienia impulsu. Jest to technika matematyczna, dzięki której elementy wykonawcze dwustanowe bądź dyskretne zachowują się w układach regulacji podobnie do elementów wykonawczych ciągłych, w zakresie sterowania od 0–100%.

Sztuczka – o ile tak można nazwać to podejście – polega na tym, że element wykonawczy załączany jest i wyłączany na liczbę okresów, proporcjonalną do żądanego (procentowo) sygnału sterującego.
Rozważmy dla przykładu system klimatyzacji. Większość termostatów wykorzystuje algorytm dwustawny, porównujący aktualną temperaturę w pomieszczeniu z pewną wartością zadaną, ustalaną przez użytkowników pomieszczenia.
Następnie klimatyzator załącza bądź wyłącza się, gdy temperatura jest zbyt wysoka lub zbyt niska. Taki sposób sterowania sprawia, że temperatura oscyluje wokół wartości zadanej. W większości przypadków takie zmiany nikomu nie przeszkadzają.
Termostat mógłby ustalać temperaturę znacznie dokładniej – dzięki użyciu ciągłych elementów wykonawczych, takich jak np. zautomatyzowane tłumiki płynnie zmieniające dopływ chłodnego powietrza do pomieszczenia klimatyzowanego.
Takie rozwiązanie jest typowe w komercyjnych aplikacjach układów HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning – ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacja), jednakże zbyt kosztowne dla użytkowników domowych.
W przypadku zastosowania regulacji proporcjonalnej do czasu domowy termostat nie potrzebuje ciągłego elementu wykonawczego, aby działać w podobny sposób. Może zamiast ciągłej zmiany ilości powietrza dostarczanego do pomieszczenia sterować czasem załączania. Aby osiągnąć X% sterowanie, termostat załącza dopływ powietrza na X jednostek czasu, a następnie wyłącza na czas równy (100 – X) jednostek.
Gdy jednostkowy czas cyklu jest stosunkowo krótki w porównaniu z czasem potrzebnym na ochłodzenie pomieszczenia (zwykle kilka minut, zależnie od wymiarów), średni efekt sterowania proporcjonalnego do czasu będzie prawie identyczny do sterowania ciągłego. W krótkim odcinku czasu temperatura nadal będzie zmieniać się wokół wartości zadanej,jednak nie w takim stopniu jak w przypadku regulacji dwustawnej.
W niektórych aplikacjach tego typu zmiany wokół wartości zadanej w przypadku regulacji proporcjonalnej do czasu muszą zostać zredukowane. Można to osiągnąć np. poprzez redukcję czasu cyklu pracy sterowania.
Jest jednak i zła strona takiego rozwiązania – częstotliwość pracy elementu wykonawczego wzrasta, a tym samym jego zużycie.
Najniekorzystniejszym z punktu widzenia zużycia dyskretnych elementów wykonawczych zdaje się być 50% wartości sygnału sterującego. Znaczy to, że element wykonawczy jest przełączany na zmianę po jednym cyklu pracy. W przypadku klimatyzacji w domu czasy cyklu krótsze niż kilka minut mogą szybko doprowadzić do uszkodzenia startera silnika klimatyzacji.
Przesadzając w drugą stronę, czasy cyklu na poziomie pojedynczych godzin co prawda znacznie wydłuży czas życia startera silnika, jednakże czasy załączenia/wyłączenia będą tak długie, że wzrost/spadek temperatury czy ogólnie jej oscylacje stają się mało komfortowe.
Regulacja proporcjonalna do czasu działa lepiej w przypadku sterowania relatywnie wolnymi procesami, w których zachodzi zjawisko wygładzania efektów przełączania elementów wykonawczych. Dodatkowo, poza regulacją temperatury, aplikacje, w których tego typu sterowanie może być efektywne, jest: sterowanie poziomem cieczy, ciśnieniem w dużych zbiornikach, ale strategia tego typu jest również efektywna wszędzie tam, gdzie ciągłe elementy wykonawcze byłyby zbyt drogie.
Artykuł pod redakcją Krzysztofa Pietrusewicza