W powszechnym przekonaniu regulacja temperatury to dojrzała i w zasadzie nie ulegająca zmianom dziedzina technologii. Wciąż spotyka się zastosowania przemysłowe (np. produkcja metodą wtrysku), w których konieczna jest nie tylko dokładna regulacja temperatury, ale także szybsza faza podgrzewania i szybsza odpowiedź na zaburzenia, z minimalizacją przeregulowania, gdy zmienia się nastawa. Tradycyjne proporcjonalno-całkująco-różniczkujące (PID) techniki regulacji nie mogą sprostać tym dodatkowym wyzwaniom. Zasadniczo istnieją dwa sposoby projektowania zaawansowanych regulatorów temperatury. Jedno z rozwiązań polega na dodawaniu specyficznych cech niespotykanych w tradycyjnych regulatorach PID, drugie natomiast ? na stosowaniu regulacji opartej na logice rozmytej.
Ulepszanie projektu regulatora PID temperatury
Różne szybkości (tj. stałe czasowe) procesów ogrzewania i chłodzenia wymagają dynamicznego dostosowania stałych PID zgodnie z wartością nastawy temperatury. Konieczne jest użycie modelu grzejnika ? odwrotności statycznej funkcji charakterystycznej procesu ogrzewania. Gdy system regulacji zaimplementuje już model ogrzewania, wyjście z niego może być odpowiednio użyte jako zmienna ze sprzężeniem dodatnim. Z drugiej strony, zmienna ze sprzężeniem dodatnim wraz z wyjściem członu całkowego może pomóc modelowi grzejnika ?nauczyć się? więcej o procesie ogrzewania.
Ponieważ metoda regulacji minimalno-czasowej jest tylko aproksymacją, wymaga podzielenia całego zakresu temperatur na trzy podzakresy, w których działają różne mechanizmy regulacji. W pierwszym (dla temperatur znacznie poniżej wartości nastawy) i ostatnim (dla temperatur znacznie powyżej wartości nastawy) stosuje się stałą (odpowiednio: pełną lub zerową) moc, a całkowanie błędu regulacji zostaje wstrzymane. W środkowym podzakresie (z wartością nastawy pośrodku) działa liniowa regulacja PID. W tej tzw. strefie regulacji liniowej (linear control zone ? LCZ) można użyć kolejnego składnika nieliniowego ? ograniczania błędu regulacji (regulation
errorlimit ? REL), co pomoże zminimalizować przeregulownia temperatury. Rysunek 1 prezentuje schemat blokowy ulepszonego regulatora PID temperatury.
Logika rozmyta
Zasady logiki rozmytej są stosowane przez inżynierów od ponad 35 lat. Logika rozmyta (tj. logika rozmyta w roli systemu regulacji) staje się atrakcyjna szczególnie w przypadku najmniejszych mikroregulatorów, ponieważ wymaga ona mniejszej mocy obliczeniowej i mniej pamięci operacyjnej niż konwencjonalna regulacja PID. Regulacja rozmyta w swej formie podstawowej jest podobna do procesu regulacji ręcznej.
Operator reguluje moc dostarczaną do elementu ogrzewającego zgodnie z chwilowym odchyleniem temperatury od wartości nastawy [błąd regulacji, e(n)] i tempem zmian temperatury [lub pochodnej błędu regulacji, e(n)]. Całym procesem steruje bardziej rozsądek niż wiedza o jego zachowaniu fizycznym i matematycznym. Czy odchylenie temperatury i tempo zmian temperatury są niskie, wysokie czy średnie? Logika rozmyta posługuje się identycznymi stanami zmiennych procesu. Schemat blokowy regulatora opartego na logice rozmytej (rysunek 2) pokazuje, w jaki sposób wyjście z regulatora rozmytego łączy się z wyjściem modułu ze sprzężeniem dodatnim tak jak w przypadku ulepszonego tradycyjnego regulatora PID. Podobny moduł adaptera optymalizuje proces precyzowania (odwzorowanie rozmytej zmiennej na wyjściu na jej precyzyjną wartość na wyjściu) i równocześnie pomaga modelowi grzejnika ?nauczyć się? więcej o procesie ogrzewania.
Podejmowanie decyzji
Implementacja ulepszonego tradycyjnego regulatora PID może stanowić prawdziwe wyzwanie, zwłaszcza gdy pożądane są możliwości automatycznego dostrojenia w celu znalezienia optymalnych nastaw PID. Jednakże teoria regulatorów PID jest dobrze znana i powszechnie używana w innych zastosowaniach z dziedziny regulacji. Z drugiej strony, regulacja rozmyta wydaje się osiągać tę samą jakość przy mniejszej złożoności. Przybliżanie krzywej przełączenia drugiego rzędu w używanej w systemach regulacji minimalno-czasowej przez wielomiany pierwszego lub wyższych rzędów (LCZ w ulepszonym regulatorze PID zapewnia aproksymację rzędu zero) czyni z regulacji rozmytej lepsze rozwiązanie w aplikacjach regulacji minimalno-czasowej. Jako stosunkowo nowa metoda regulacji ma ona także większe możliwości dalszego rozwoju.