Im vorherigen Tutorial über elektronische Systeme haben wir gesehen, dass ein System als eine Sammlung von Subsystemen definiert werden kann, die ein Eingangssignal leiten oder steuern, um die gewünschte Ausgangsbedingung zu erzeugen.
Die Funktion eines elektronischen Systems besteht darin, den Ausgang automatisch zu regulieren und innerhalb des gewünschten Eingangswerts oder „Sollwerts“des Systems zu halten. Wenn sich die Systemeingabe aus irgendeinem Grund ändert, muss die Ausgabe des Systems entsprechend reagieren und sich selbst ändern, um den neuen Eingabewert widerzuspiegeln.,
Wenn die Systemausgabe ohne Änderung des Eingabewerts gestört wird, muss die Ausgabe ebenfalls reagieren, indem sie zu ihrem vorherigen eingestellten Wert zurückkehrt. In der Vergangenheit waren elektrische Steuerungssysteme im Grunde manuell oder ein sogenanntes Open-Loop-System mit sehr wenigen automatischen Steuerungs-oder Rückkopplungsfunktionen, um die Prozessvariable so zu regulieren, dass der gewünschte Ausgangspegel oder-wert beibehalten wird.
Zum Beispiel, ein elektrischer Wäschetrockner., Abhängig von der Menge der Kleidung oder wie nass sie sind, würde ein Benutzer oder Bediener einen Timer (Controller) auf 30 Minuten einstellen und am Ende der 30 Minuten stoppt der Trockner automatisch und schaltet sich aus, auch wenn die Kleidung noch nass oder feucht ist.
In diesem Fall ist die Steueraktion der manuelle Bediener, der die Nässe der Kleidung beurteilt und den Prozess (den Trockner) entsprechend einstellt.
In diesem Beispiel wäre der Wäschetrockner ein offenes System, da er den Zustand des Ausgangssignals, dh die Trockenheit der Kleidung, nicht überwacht oder misst., Dann hängt die Genauigkeit des Trocknungsprozesses oder der Erfolg des Trocknens der Kleidung von der Erfahrung des Benutzers (Bedieners) ab.
Der Benutzer kann den Trocknungsprozess des Systems jedoch jederzeit anpassen oder feinabstimmen, indem er den Zeitpunkt der Trocknungszeit erhöht oder verringert, wenn er der Meinung ist, dass der ursprüngliche Trocknungsprozess nicht eingehalten wird. Erhöhen Sie beispielsweise den Zeitregler auf 40 Minuten, um den Trocknungsprozess zu verlängern. Betrachten Sie das folgende Open-Loop-Blockdiagramm.,
Open-Loop-Trocknungssystem
Dann ist ein Open-Loop-System, auch als Nicht-Feedback-System bezeichnet, eine Art kontinuierliches Steuerungssystem, bei dem der Ausgang keinen Einfluss oder Einfluss auf die Steuerwirkung des Eingangssignals hat. Mit anderen Worten, in einer Open-Loop-Steuerung wird der Ausgang weder gemessen noch zum Vergleich mit dem Eingang „zurückgespeist“. Daher wird erwartet, dass ein Open-Loop-System unabhängig vom Endergebnis seinem Eingabebefehl oder Sollwert treu folgt.,
Außerdem hat ein Open-Loop-System keine Kenntnis der Ausgabebedingung und kann daher keine Fehler selbst korrigieren, die auftreten könnten, wenn der voreingestellte Wert abweicht, selbst wenn dies zu großen Abweichungen vom voreingestellten Wert führt.
Ein weiterer Nachteil von Open-Loop-Systemen besteht darin, dass sie schlecht ausgestattet sind, um Störungen oder Änderungen der Bedingungen zu bewältigen, die ihre Fähigkeit zur Ausführung der gewünschten Aufgabe verringern können. Zum Beispiel öffnet sich die Trocknertür und Wärme geht verloren., Der Zeitregler fährt unabhängig für die vollen 30 Minuten fort, aber die Kleidung wird nicht erhitzt oder getrocknet am Ende des Trocknungsprozesses. Dies liegt daran, dass keine Informationen zurückgespeist werden, um eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten.
Dann können wir sehen, dass offene Systemfehler den Trocknungsprozess stören können und daher zusätzliche Aufmerksamkeit eines Benutzers (Bedieners) erfordern., Das Problem bei diesem antizipativen Kontrollansatz besteht darin, dass der Benutzer die Prozesstemperatur häufig betrachten und Korrekturmaßnahmen ergreifen muss, wenn der Trocknungsprozess von seinem gewünschten Wert zum Trocknen der Kleidung abweicht., Diese Art der manuellen Open-Loop-Steuerung, die reagiert, bevor ein Fehler tatsächlich auftritt, wird Feed-Forward-Steuerung genannt
Das Ziel der Feed-Forward-Steuerung, auch als Predictive Control bezeichnet, besteht darin, potenzielle Open-Loop-Störungen zu messen oder vorherzusagen und manuell zu kompensieren, bevor die gesteuerte Variable zu weit vom ursprünglichen Sollwert abweicht. Also für unser einfaches Beispiel oben, wenn die Trockner Tür offen war, würde es erkannt und geschlossen werden, so dass der Trocknungsprozess fortzusetzen.,
Bei richtiger Anwendung wäre die Abweichung von nasser Kleidung zu trockener Kleidung am Ende der 30 Minuten minimal, wenn der Benutzer sehr schnell auf die Fehlersituation (Tür offen) reagiert hätte. Dieser Vorschubansatz ist jedoch möglicherweise nicht vollständig genau, wenn sich das System ändert, beispielsweise wurde der Abfall der Trocknungstemperatur während des 30-minütigen Prozesses nicht bemerkt.
Dann können wir die Hauptmerkmale eines „Open-Loop-Systems“ so definieren:
- Es gibt keinen Vergleich zwischen tatsächlichen und gewünschten Werten.,
- Ein Open-Loop-System hat keine Selbstregulierungs – oder Steuerwirkung über den Ausgangswert.
- Jede Eingangseinstellung bestimmt eine feste Betriebsposition für die Steuerung.
- Änderungen oder Störungen der äußeren Bedingungen führen nicht zu einer direkten Ausgabeänderung (es sei denn, die Reglereinstellung wird manuell geändert).
Jedes Open-Loop-System kann als mehrere kaskadierte Blöcke in Reihe oder als einzelnes Blockdiagramm mit Ein-und Ausgang dargestellt werden., Das Blockdiagramm eines Open-Loop-Systems zeigt, dass der Signalweg von Eingang zu Ausgang einen linearen Pfad ohne Rückkopplungsschleife darstellt und für jede Art von Steuerungssystem der Eingang die Bezeichnung θi und der Ausgang θo erhält.
Im Allgemeinen müssen wir das Open-Loop-Blockdiagramm nicht manipulieren, um seine tatsächliche Übertragungsfunktion zu berechnen. Wir können einfach die richtigen Beziehungen oder Gleichungen aus jedem Blockdiagramm aufschreiben und dann die endgültige Übertragungsfunktion aus diesen Gleichungen berechnen, wie gezeigt.,3>
Die Übertragungsfunktion jedes Blocks ist daher:
Die Gesamtübertragungsfunktion ist angegeben als:
Dann wird die Open-Loop-Verstärkung einfach wie folgt angegeben:
Wenn G die Übertragungsfunktion des Systems oder Subsystems darstellt, kann es wie folgt umgeschrieben werden: G(s) = θo(s)/θi(s)
Open-Loop-Steuerungssysteme werden häufig bei Prozessen verwendet, die die Sequenzierung von Ereignissen mit Hilfe von „ON-OFF“ – Signalen erfordern., Zum Beispiel eine Waschmaschine, die erfordert, dass das Wasser „EIN“ und dann, wenn es voll ist,“ AUS „geschaltet wird, gefolgt von dem Heizelement, das“ EIN „geschaltet wird, um das Wasser zu erhitzen, und dann bei einer geeigneten Temperatur“ AUS “ geschaltet wird, und so weiter.
Diese Art von“ ON-OFF “ Open-Loop-Steuerung eignet sich für Systeme, bei denen die Laständerungen langsam auftreten und der Prozess sehr langsam abläuft, was seltene Änderungen der Steueraktion durch einen Bediener erfordert.,
Zusammenfassung der Steuerungssysteme mit offenem Regelkreis
Wir haben gesehen, dass eine Steuerung ihre Eingaben manipulieren kann, um den gewünschten Effekt auf die Ausgabe eines Systems zu erzielen. Eine Art von Steuerungssystem, bei dem der Ausgang keinen Einfluss oder Einfluss auf die Steuerwirkung des Eingangssignals hat, wird als Open-Loop-System bezeichnet.
Ein“ Open-Loop-System „wird dadurch definiert, dass das Ausgangssignal oder die Bedingung zum Vergleich mit dem Eingangssignal oder dem System-Sollwert weder gemessen noch“ zurückgespeist “ wird. Daher werden Open-Loop-Systeme allgemein als „Nicht-Feedback-Systeme“bezeichnet.,
Da ein Open-Loop-System keine Rückkopplung verwendet, um festzustellen, ob seine erforderliche Ausgabe erreicht wurde, „geht“ es davon aus, dass das gewünschte Ziel der Eingabe erfolgreich war, da es keine Fehler korrigieren kann, die es machen könnte, und kann daher keine externen Störungen des Systems kompensieren.
Open-loop Motor Control
So zum Beispiel, nehmen Sie den DC-motor-controller wie gezeigt. Die Drehzahl des Motors hängt von der Spannung ab, die dem Verstärker (dem Regler) vom Potentiometer zugeführt wird., Der Wert der Eingangsspannung könnte proportional zur Position des Potentiometers sein.
Wenn das Potentiometer an die Spitze des Widerstands bewegt wird, wird dem Verstärker die maximale positive Spannung zugeführt, die die volle Geschwindigkeit darstellt. Wenn der Potentiometerwischer auf den Boden des Widerstands bewegt wird, wird ebenfalls Nullspannung geliefert, die eine sehr langsame Geschwindigkeit oder einen sehr langsamen Stopp darstellt.,
Dann stellt die Position des Potentiometerschiebers den Eingang dar, θi, der durch den Verstärker (Regler) verstärkt wird, um den Gleichstrommotor (Prozess) mit einer eingestellten Geschwindigkeit N anzutreiben, die den Ausgang darstellt, θo des Systems. Der Motor dreht sich weiterhin mit einer festen Geschwindigkeit, die durch die Position des Potentiometers bestimmt wird.
Da der Signalweg vom Eingang zum Ausgang ein direkter Weg ist, der nicht Teil einer Schleife ist, wird die Gesamtverstärkung des Systems die kaskadierten Werte der einzelnen Gewinne aus dem Potentiometer, Verstärker, Motor und Last., Es ist eindeutig wünschenswert, dass die Ausgangsgeschwindigkeit des Motors mit der Position des Potentiometers identisch sein sollte, was die Gesamtverstärkung des Systems als Einheit ergibt.
Die einzelnen Verstärkungen des Potentiometers, Verstärkers und Motors können jedoch im Laufe der Zeit mit Änderungen der Versorgungsspannung oder-temperatur variieren, oder die Motorlast kann sich erhöhen, was externe Störungen des Motorsteuerungssystems mit offenem Regelkreis darstellt.,
Der Benutzer wird jedoch irgendwann auf die Änderung der Systemleistung (Änderung der Motordrehzahl) aufmerksam und kann diese korrigieren, indem er das Eingangssignal des Potentiometers entsprechend erhöht oder verringert, um die ursprüngliche oder gewünschte Geschwindigkeit beizubehalten.
Der Vorteil dieser Art der „Open-Loop-Motorsteuerung“ besteht darin, dass sie möglicherweise kostengünstig und einfach zu implementieren ist, was sie ideal für den Einsatz in genau definierten Systemen macht, wenn die Beziehung zwischen Eingang und Ausgang direkt ist und nicht von äußeren Störungen beeinflusst wird., Leider ist diese Art von Open-Loop-System unzureichend, da Variationen oder Störungen im System die Geschwindigkeit des Motors beeinflussen. Dann ist eine andere Form der Kontrolle erforderlich.
Im nächsten Tutorial über Elektroniksysteme werden wir uns mit dem Effekt befassen, dass ein Teil des Ausgangssignals an den Eingang zurückgespeist wird, sodass die Systemsteuerung auf der Differenz zwischen tatsächlichen und gewünschten Werten basiert. Diese Art von Elektroniksteuerung wird als Closed-Loop-Steuerung bezeichnet.,
