Projektowanie pętli sprzężenia zwrotnego rozpoczyna się od uświadomienia sobie celu jej przeznaczenia i zrozumienia zmian zachodzących w procesie.
Podstawowym zadaniem układów ze sprzężeniem zwrotnym jest zazwyczaj minimalizacja wpływu zakłóceń lub nadążanie za wartością zadaną. Regulator zaprojektowany z myślą o redukcji zakłóceń zadziała w momencie, kiedy potrzebna będzie zmiana wielkości regulowanej, tak aby nadążała ona za wyznaczoną wartością zadaną, gdy tylko zakłócenia bądź obciążenie obiektu spowoduje odchyłkę regulacji.
Dla przykładu samochodowy regulator prędkości (tempomat) zwiększy obroty silnika, kiedy tylko zauważy spadek prędkości samochodu podczas wjazdu pod górę. Będzie minimalizował bądź odrzucał dodatkowe obciążenie samochodu, dopóki nie zacznie on poruszać się z taką prędkością, jaka została pierwotnie zdefiniowana. Regulatory stabilizujące spisują się najlepiej wszędzie tam, gdzie wartość zadana jest stała, a wymogiem co do wielkości regulowanej jest to, żeby znajdowała się w pobliżu.
W przeciwieństwie do powyżej opisanych, regulatory nadążne są stosowane wtedy, kiedy spodziewana jest okresowa zmiana wartości zadanej, a od regulatora wymaga się zwiększenia lub zmniejszenia wielkości regulowanej zgodnie z tymi wahaniami. Luksusowe samochody wyposażone w układ automatycznej regulacji temperatury będą śledzić zmieniającą się wartość zadaną, dostosowując temperaturę wyjściową grzałki zawsze wtedy, kiedy kierowca zażąda nowej temperatury wewnątrz auta.
Układy regulacji stabilizującej i układy regulacji nadążnej mogą być stosowane zamiennie (tempomat może zwiększyć prędkość samochodu, kiedy kierowca chce jechać szybciej, a układ regulacji temperatury w samochodzie może wyłączyć ogrzewanie, kiedy pojawi się słońce), ale optymalne działanie układu na ogół wymaga, aby regulator był zaprojektowany bądź nastrojony dla jednego albo drugiego celu. Dla zrozumienia powodu rozważmy pętlę sprzężenia zwrotnego pokazaną na schemacie ?Pętla Sterowania? i efekt, jaki wywołuje nagłe zakłócenie dla obiektu lub nagła zmiana wartości zadanej.
Sterowanie w pętli otwartej
Na początku załóżmy, że ścieżka sprzężenia zwrotnego jest nieaktywna, a więc układ regulacji pracuje w pętli otwartej. Po wystąpieniu zakłócenia wielkość regulowana zacznie się zmieniać zgodnie ze wzmocnieniem obciążenia i fizycznym charakterem obiektu. Na przykładzie tempomatu nagły opór stawiany przez wzgórze spowoduje zmniejszenie prędkości samochodu z uwagi na stromość zbocza i bezwładność samochodu. Należy zwrócić uwagę na fakt, że regulator w pętli otwartej nie odgrywa w ogóle żadnej roli w określeniu, jak obiekt ma zareagować na zakłócenia, więc jego nastawy są nieistotne, kiedy sprzężenie zwrotne jest nieaktywne. Warto zauważyć jednak, że zmiana wartości zadanej będzie widoczna przez regulator i obiekt nawet bez sprzężenia zwrotnego. Spójrzmy na schemat ?Sterowanie w Pętli Otwartej?.
Jako wynik matematycznej inercji regulatora połączonej z fizyczną inercją obiektu w celu ustalenia odpowiedzi układu na zmianę wartości zadanej otrzymujemy odpowiedź wolniejszą niż odpowiedź układu na nagłe zakłócenie. Jest to szczególnie prawdziwe, jeżeli regulator wyposażony jest w akcję całkującą. Człon I regulatora PID wydaje się filtrować albo uśredniać efekty zmian wartości zadanej, wprowadzając opóźnienie ograniczające próg, wokół którego zmienia się sygnał sterujący.
W przykładzie układu sterującego temperaturą w samochodzie zjawisko to jest widoczne, kiedy regulator zaczyna zwiększać grzanie po otrzymaniu prośby kierowcy o zwiększenie temperatury wewnątrz kabiny. Grzałka w samochodzie zacznie podnosić temperaturę w zależności od tego, jak agresywnie nastrojony został regulator oraz jak szybko temperatura wewnątrz zareaguje na sygnał sterujący. Bezpośrednie zakłócenie, takie jak nagłe pojawienie się słońca, powoduje zazwyczaj wzrost temperatury w samochodzie w znacznie szybszym tempie ze względu na to, że efekty zakłócenia nie będą na początku zależne od regulatora.
Sterowanie w pętli zamkniętej
Regulator pracujący w pętli otwartej nie jest w stanie ani minimalizować skutków zakłóceń, ani śledzić zmian wartości zadanej bez pętli sprzężenia zwrotnego. Zadajmy więc sobie pytanie: ?Co stanie się z dodatkowym czasem reakcji wartości regulowanej, w momencie kiedy sprzężenie zwrotne jest aktywne?? Zazwyczaj nic. Dopóki regulator wyposażony jest w filtrowanie wartości zadanej, wahania tej wielkości pozostaną wolniejsze niż zmiany działających zakłóceń o dokładnie taką samą wartość, jak ma to miejsce w przypadku pętli otwartej. Spójrzmy na schemat ?Sterowanie w pętli zamkniętej?.
Podczas gdy różnica w czasach odpowiedzi jest całkowicie zależna od czasu opóźnienia regulatora, nasuwa się pytanie, czy w dalszym ciągu istnieje możliwość zaprojektowania regulatora nadążnego, który byłby tak samo szybki jak jego odpowiednik w układzie regulacji stabilizującej, dobierając jego nastawy, tak aby odpowiadał natychmiastowo na zmiany wartości zadanej.
Ta uliczka jest również ślepa. Wyeliminowanie opóźnienia regulatora wymagałoby wyłączenia akcji całkującej, co skutecznie zapobiegałoby osiągnięciu przez wielkość regulowaną wartości zadanej.
Z drugiej strony inercja matematyczna regulatora może być zminimalizowana bez całkowitego wpływania na jego zdolność do eliminacji błędów pomiędzy wielkością regulowaną a wartością zadaną. Szybki regulator nadążny wymaga agresywnych nastaw, jednak nie powinno stanowić to żadnego problemu, dopóki regulator nie będzie musiał minimalizować skutków zakłóceń. Jeżeli nieoczekiwane obciążenie kiedykolwiek zadziała na obiekt, regulator nadążny spowoduje przeregulowanie i niepotrzebne oscylacje wielkości regulowanej.
Przeciwnie, kiedy regulator nastrojony jest, aby eliminować nagłe zakłócenia, zazwyczaj będzie relatywnie wolno realizował zmianę wartości zadanej. Na szczęście typowa pętla sprzężenia zwrotnego w zastosowaniach przemysłowych będzie działać na ograniczonych odcinkach stałej wartości zadanej, więc jedynym przypadkiem, kiedy regulator stabilizujący doświadczy opóźnień związanych z wahaniami wartości zadanej, będzie rozruch.
Zastrzeżenia
Niestety, na tym nie kończy się historia regulacji nadążnej i regulacji stabilizującej. Do tego momentu zakładaliśmy, że wyłącznie obiekt jest poddawany działaniu nagłych zakłóceń, tak jak w przypadku, kiedy włączony w samochodzie tempomat nagle napotyka na wzniesienie. Wiele, jeżeli nie większość układów regulacji ze sprzężeniem zwrotnym obsługuje o wiele mniejsze zakłócenia ? np. malutkie wzgórki zamiast spadzistych zboczy.
Kiedy fizyczne właściwości obiektu regulacji ograniczają zasięg, w którym zakłócenia mogą oddziaływać na wielkość regulowaną, odpowiedź na nie będzie czasami wolniejsza niż odpowiedź na wartość zadaną. W takich przypadkach bardziej agresywne nastrojenie będzie właściwe dla regulatora stabilizującego niż dla regulatora nadążnego. Kluczową sprawą jest określenie, którą strategię zastosować dla danego procesu i jakie kryteria powinien spełniać regulator.
CE