Sterowanie w otwartej pętli raz jeszcze

W sytuacjach, w których można przełożyć znajomość procesu na wzmacniane konstrukcje, prostotę oraz niski koszt, sterowanie w systemie otwartej pętli może okazać się cenną alternatywą dla bardziej złożonych układów ze sprzężeniem zwrotnym.
Sterowanie w systemie otwartej pętli znajduje zastosowanie w aplikacjach przemysłowych, wojskowych, lotniczych i astronautycznych, pomimo swojej prostoty oraz tego, że jako mechanizm sterujący, rozwiązanie to nie jest doskonałe. Jednak czym jest sterowanie w otwartej pętli? Przykładami są nocne światła, zapalające się, kiedy zapada ciemność lub też zawory par oleju w wojskowych silnikach odrzutowych, które modulują przepływ wraz z wysokością. Od innych rodzajów sterowania otwarta pętla różni się brakiem informacji zwrotnych, o tym co się dzieje. Do czego więc możemy ją wykorzystać? W niektórych przypadkach prostota może zwiększyć niezawodność, a niski koszt rozwiązania sprawia, że jest ono praktycznym rozwiązaniem, dla wielu rodzajów zastosowań.
Sterowanie w otwartej pętli to praktyczna alternatywa dla systemów zamkniętej pętli regulacji, pod dwoma warunkami:

  • doskonała precyzja wyjściowa nie jest bardzo ważna,
  • system może funkcjonować w miarę dobrze bez gwarancji, że wyjście będzie zawsze podążać za wejściem.


Przedstawione jeden obok drugiego, spawane miechy można postrzegać jako fizyczną reprezentację systemu sterowania w otwartej pętli
Temperatura
Urządzenia działające w otwartej pętli to często: czujnik, wzmacniacz i serwomotor, połączone w jedno. Jedną z najbardziej popularnych technologii łączących te elementy są metalowe miechy, urządzenia wprowadzone ponad 100 lat temu, które na początku swojego istnienia składały się z miechów mechanicznych, a 50 lat później zostały zastąpione bardziej wydajnymi miechami ze spoinami grzbietowymi. Późniejsza wersja jest dziś powszechnie stosowana, a opisana tu technologia dotyczy obu rodzajów urządzeń. Jeśli chodzi o urządzenia mechaniczne, miech metalowy to czujnik i siłownik, który łączy właściwości sprężyny, siłownika oraz cylindra. Jego ruch jest beztarciowy, mieszek nie przecieka i nie przepuszcza.

Powietrze w miechu sprawia, że jest on wrażliwy na ciśnienie i temperaturę. System mierzy gęstość powietrza, aby przesunąć punkt pracy śmigła dla zapewnienia jednolitej reakcji
W systemie miechów wypełnionych płynem wielkością wejściową jest ciepło. Płyn wraz z mieszczącą go obudową (zbiornik) stanowi czujnik i wzmacniacz, a pręt lub też ruchoma końcówka jest wyjściem. (Patrz rysunek: „Spawane miechy/otwarta pętla”, na którym przedstawiono zależność pomiędzy systemem otwartej pętli a spawanymi miechami). Dla tego systemu znaczenie ma wysoka siła napędowa oraz długi suw, jaki można otrzymać na wyjściu: wartości od 5 do kilkudziesięciu niutonów nie należą do rzadkości, w zależności od wielkości miechów. Długość suwu natomiast może wynosić od kilku milimetrów, do kilku centymetrów. Taki system nadaje się dobrze do bezpośredniego, liniowego załączania, bez silników czy zasilania elektrycznego.
Dobrym przykładem aplikacji, do której pasuje sterowanie w otwartej pętli ze spawanymi miechami, jest celownik wojskowy. Celownik, który znajduje się na szczycie pojazdu opancerzonego, musi być zawsze ostry, bez konieczności wykonywania regulacji. Ponieważ pojazd znajduje się na wolnym powietrzu, optyka musi wytrzymać ekstremalne temperatury, szczególnie w warunkach pustynnych. Zastosowanie miechów wypełnianych płynem, do przesuwania soczewki ogniskowej w systemie soczewek celownika o centymetr, w jedną lub w druga stronę, może kompensować odchylenia wymiarów systemu optycznego, jakie wynikają ze zmian temperatury.
Kiedy temperatura otoczenia na zewnątrz wzrasta, w celowniku optycznym płyn – w tym przypadku znajdujący się wewnątrz miechów – powoduje rozszerzanie się miechów i przesunięcie soczewki. Z kolei ochłodzenie powoduje kurczenie się płynu i miechów, i przesunięcie soczewki w drugą stronę. Według projektu ruch jest proporcjonalny do temperatury. W tej aplikacji informacja zwrotna nie jest najważniejsza. Operator wie, kiedy system optyczny nie jest ostry, a jeśli mechanizm nie działa, może wprowadzić poprawki ręcznie. Jednakże solidna konstrukcja i prostota systemu w zasadzie wykluczają możliwość awarii, usuwając potrzebę stosowania zasilania elektrycznego i skomplikowanych systemów sprzężenia zwrotnego.

Miechy, z powietrzem uszczelnionym w środku, muszą pasywnie wykrywać obecność podciśnienia na powierzchni zewnętrznej i rozszerzać się, tak aby uchwycić płytkę półprzewodnikową dla przetwarzania lub inspekcji
Ciśnienie, wysokość
Inną formą sterowania w otwartej pętli przy użyciu miechów jest wykrywanie wysokości, zamiast temperatury, do regulowania ciśnienia pary oleju (oil vapor pressure) w wojskowych silnikach odrzutowych. Miech jest uszczelniany, a ze środka usuwa się powietrze. W ten sposób miech staje się aneroidalnym czujnikiem/siłownikiem podciśnieniowym (próżniowym). Jego długość zmienia się w reakcji na ciśnienie absolutne, a tym samym na wysokość. Kiedy samolot nabiera wysokości, miech się rozszerza, modulując zawór i redukując przepływ powietrza przez silnik, dla utrzymania stałego ciśnienia oleju smarującego. Informacja zwrotna nie jest konieczna, więc otwarta pętla jest ekonomicznym rodzajem sterowania.
Wykres „śmigła sterującego” pokazuje sterowanie w otwartej pętli z podwójnym wyjściem, służące do odchylania skoku śmigła sterującego w helikopterze. I tutaj znowu miech jest uszczelniony, ale w tym przypadku w środku znajduje się powietrze. Obecność powietrza w miechach sprawia, że długość miecha jest funkcją wysokości i temperatury – które to połączenie reprezentuje gęstość. Mając duży obszar powierzchni i małą masę, miech jest czujnikiem temperatury o bardzo niskiej stałej czasowej. Połączenie siły sprężynowania z rozszerzalnością uwięzionych gazów stanowi silę napędową mechanizmu polaryzującego. Podobnie jak w przypadku wszystkich systemów otwartej pętli, ponieważ nie mamy informacji zwrotnej, nie mamy też pewności, że mechanizm polaryzujący śmigła sterującego jest precyzyjnym odzwierciedleniem gęstości powietrza. Jednak urządzenie jest tylko pomocą dla pilota. Jeśli pilot wyczuwa błąd, może wprowadzić niezależne poprawki.
W tej aplikacji otwartej pętli miechy modulują wielkość regulowaną wraz ze zmieniającym się ciśnieniem, ale ich aplikacja jest tak naprawdę binarna – mieszek działa dwustanowo – zaciśnięty lub niezaciśnięty. System ten zastępuje system aktywny i eliminuje trzykrotną penetracje w głąb komory, trzy elektryczne siłowniki na zewnątrz komory oraz związane z nimi sterowanie. System działa na zasadzie otwartej pętli, nie otrzymuje informacji zwrotnych, zapewniających o zadziałaniu zacisku. Jednak inne działania związane z procesem informują o ewentualnym wystąpieniu błędu. ce

Richard Larsen jest prezesem firmy Flexial Corp., produkującej miechy spawane, w której założeniu współuczestniczył 10 lat temu. http://www.flexial.com
Kiedy można zastosować sterowanie w otwartej pętli?


Sterowanie w systemie otwartej pętli można zastosować do:

  • długoterminowych instalacji, w których zapewnienie ciągłego, niezawodnego zasilania elektrycznego może być trudne, niebezpieczne, niepraktyczne lub kosztowne;
  • trudnych warunków środowiskowych, w których występują wysokie temperatury, wibracje, w środowiskach wysoce korozyjnych, w których umieszczanie elementów półprzewodnikowych byłoby ryzykowne, na przykład przy odwiertach;
  • tam, gdzie wystarczy wyjście binarne, zwykłe zamknięcie czujnika, chwilowe lub podtrzymane;
  • w aplikacjach, w których proces nie jest często monitorowany lub też nie jest monitorowany wcale, lub też jeśli integracja systemu sterowania jest monitorowana za pośrednictwem innych zmiennych.

Oto systemy, do których najbardziej nadaje się sterowanie w otwartej pętli:

  • często w formie mechanicznej,
  • takie, które może skorygować interwencja człowieka, w celu poprawy błędów systemu,
  • takie, które muszą być sprawne przez długi czas i wymagają minimalnego nadzoru bezpośredniego,
  • nie wymagają rekalibrowania,
  • ich funkcjonowanie i konstrukcja są proste, a komponenty wykonują kilka zadań,
  • pracują w trybie ciągłym, nawet jeśli nie są używane,
  • ich konstrukcja jest tania — koszt jest ważniejszy od precyzji.