w poprzednim tutorialu o systemach elektronicznych zobaczyliśmy, że system może być zdefiniowany jako zbiór podsystemów, które kierują lub kontrolują sygnał wejściowy, aby wytworzyć pożądany stan wyjściowy.
funkcją dowolnego układu elektronicznego jest automatyczna regulacja wyjścia i utrzymywanie go w wymaganej wartości wejściowej lub „nastawie”systemu. Jeżeli dane wejściowe systemów zmieniają się z jakiegokolwiek powodu, Dane wyjściowe systemu muszą odpowiednio zareagować i zmienić się, aby odzwierciedlić nową wartość wejściową.,
Podobnie, jeśli stanie się coś, co zakłóci wyjście systemu bez zmiany wartości wejściowej, wyjście musi zareagować, zwracając poprzednią ustawioną wartość. W przeszłości elektryczne systemy sterowania były w zasadzie ręczne lub co nazywa się systemem otwartej pętli z bardzo niewielu automatycznych funkcji sterowania lub sprzężenia zwrotnego wbudowanych w celu regulacji zmiennej procesu, tak aby utrzymać pożądany poziom wyjściowy lub wartość.
na przykład elektryczna suszarka do ubrań., W zależności od ilości ubrań lub ich wilgotności, użytkownik lub operator ustawiłby timer (kontroler) na 30 minut, a pod koniec 30 minut suszarka automatycznie zatrzyma się i wyłączy, nawet jeśli ubrania są jeszcze mokre lub wilgotne.
w tym przypadku działaniem kontrolnym jest ręczny operator oceniający Wilgotność ubrań i odpowiednio ustawiający proces (suszarkę).
tak więc w tym przykładzie suszarka do ubrań byłaby systemem otwartej pętli, ponieważ nie monitoruje ani nie mierzy stanu sygnału wyjściowego, którym jest suchość ubrań., Następnie dokładność procesu suszenia lub sukces suszenia ubrań zależy od doświadczenia użytkownika (operatora).
użytkownik może jednak w dowolnym momencie dostosować lub dostosować proces suszenia systemu, zwiększając lub zmniejszając czas suszenia sterowników czasowych, jeśli uważają, że oryginalny proces suszenia nie zostanie osiągnięty. Na przykład zwiększenie regulatora czasu do 40 minut w celu przedłużenia procesu suszenia. Rozważ następujący schemat blokowy pętli otwartej.,
System suszenia w otwartej pętli
System otwartej pętli, zwany również systemem bez sprzężenia zwrotnego, jest rodzajem ciągłego systemu sterowania, w którym wyjście nie ma wpływu lub wpływu na działanie sterujące sygnału wejściowego. Innymi słowy, w systemie sterowania w otwartej pętli wyjście nie jest ani mierzone, ani „podawane z powrotem”w celu porównania z wejściem. Dlatego oczekuje się, że system z otwartą pętlą będzie wiernie podążał za poleceniem wprowadzania lub ustawionym punktem niezależnie od wyniku końcowego.,
ponadto, system otwartej pętli nie ma wiedzy o stanie wyjścia, więc nie może sam skorygować żadnych błędów, które mógłby zrobić, gdy wstępnie ustawiona wartość dryfuje, nawet jeśli spowoduje to duże odchylenia od wstępnie ustawionej wartości.
kolejną wadą systemów otwartej pętli jest to, że są one słabo wyposażone do radzenia sobie z zakłóceniami lub zmianami warunków, które mogą zmniejszyć jego zdolność do wykonania pożądanego zadania. Na przykład drzwi suszarki otwierają się i ciepło jest tracone., Kontroler czasu działa niezależnie przez pełne 30 minut, ale ubrania nie są podgrzewane ani suszone pod koniec procesu suszenia. Dzieje się tak dlatego, że nie ma informacji przekazywanych z powrotem do utrzymania stałej temperatury.
wtedy widzimy, że błędy systemu otwartej pętli mogą zakłócić proces suszenia i dlatego wymaga dodatkowej uwagi użytkownika (operatora)., Problem z tym podejściem kontroli antycypacyjnej polega na tym, że użytkownik musiałby często patrzeć na temperaturę procesu i podejmować wszelkie działania korygujące, gdy proces suszenia odbiegał od pożądanej wartości suszenia ubrań., Ten typ ręcznego sterowania w otwartej pętli, który reaguje przed błędem faktycznie występuje nazywa Feed forward Control
celem feed forward control, znany również jako sterowania predykcyjnego, jest pomiar lub przewidzieć wszelkie potencjalne zakłócenia w otwartej pętli i skompensować je ręcznie, zanim kontrolowana zmienna odbiega zbyt daleko od pierwotnego nastawy. Tak więc dla naszego prostego przykładu powyżej, jeśli drzwi suszarki były otwarte, zostaną wykryte i zamknięte, umożliwiając kontynuowanie procesu suszenia.,
jeśli zastosujesz poprawnie, odchylenie od mokrych ubrań do suchych ubrań na końcu 30 minut będzie minimalne, jeśli użytkownik zareaguje na sytuację błędu (otwarcie drzwi) bardzo szybko. Jednak to podejście posuwisto-zwrotne może nie być całkowicie dokładne, jeśli System się zmieni, na przykład spadek temperatury suszenia nie został zauważony podczas procesu 30 minut.
następnie możemy zdefiniować główne cechy „systemu otwartej pętli” jako:
- nie ma porównania między wartościami rzeczywistymi i pożądanymi.,
- system otwartej pętli nie ma samoregulacji ani działania sterującego nad wartością wyjściową.
- każde ustawienie Wejścia określa stałą pozycję roboczą kontrolera.
- zmiany lub zakłócenia w warunkach zewnętrznych nie powodują bezpośredniej zmiany wyjścia (chyba że ustawienie Sterownika jest zmieniane ręcznie).
każdy układ otwartej pętli może być reprezentowany jako wiele kaskadowych bloków szeregowych lub pojedynczy SCHEMAT BLOKOWY z wejściem i wyjściem., SCHEMAT BLOKOWY układu otwartej pętli pokazuje, że ścieżka sygnału od wejścia do wyjścia reprezentuje ścieżkę liniową bez pętli sprzężenia zwrotnego i dla każdego typu układu sterowania wejście otrzymuje oznaczenie θi, a wyjście θo.
Ogólnie rzecz biorąc, nie musimy manipulować diagramem blokowym w pętli otwartej, aby obliczyć jego rzeczywistą funkcję transferu. Możemy po prostu zapisać odpowiednie relacje lub równania z każdego diagramu blokowego, a następnie obliczyć ostateczną funkcję transferu z tych równań, jak pokazano.,3>
funkcja transferu każdego bloku jest zatem:
ogólna funkcja transferu jest podana jako:
wzmocnienie otwartej pętli jest podane po prostu jako:
gdy g reprezentuje funkcję transferu systemu lub podsystemu, może być przepisane jako: g(s) = θo(s)/θi(s)
systemy sterowania w pętli otwartej są często używane z procesami, które wymagają sekwencjonowania zdarzeń za pomocą sygnałów „on-off”., Na przykład pralka, która wymaga „włączenia” wody, a następnie, gdy jest pełna, wyłącza się, a następnie element grzejny włącza się, aby podgrzać wodę, a następnie wyłącza się w odpowiedniej temperaturze i tak dalej.
ten typ sterowania w pętli otwartej „ON-OFF” jest odpowiedni dla systemów, w których zmiany obciążenia następują powoli, a proces działa bardzo wolno, co wymaga rzadkich zmian w działaniu sterowania przez operatora.,
podsumowanie Systemów Sterowania W pętli otwartej
widzieliśmy, że kontroler może manipulować swoimi wejściami, aby uzyskać pożądany efekt na wyjściu systemu. Jeden typ układu sterowania, w którym wyjście nie ma wpływu lub wpływu na działanie sterujące sygnału wejściowego, nazywany jest układem otwartej pętli.
„System otwartej pętli” jest zdefiniowany przez fakt, że sygnał wyjściowy lub warunek nie jest ani mierzony, ani „podawany z powrotem” w celu porównania z sygnałem wejściowym lub nastawą systemu. W związku z tym systemy z otwartą pętlą są powszechnie określane jako „systemy bez sprzężenia zwrotnego”.,
Ponadto, ponieważ układ z otwartą pętlą nie wykorzystuje sprzężenia zwrotnego do określenia, czy jego wymagane wyjście zostało osiągnięte, „zakłada”, że pożądany cel wejścia był udany, ponieważ nie może poprawić żadnych błędów, które mógłby zrobić, a więc nie może zrekompensować żadnych zewnętrznych zakłóceń w systemie.
sterowanie silnikiem w otwartej pętli
tak na przykład, załóżmy Sterownik Silnika PRĄDU STAŁEGO, jak pokazano. Prędkość obrotowa silnika zależy od napięcia dostarczanego do wzmacniacza (sterownika) przez potencjometr., Wartość napięcia wejściowego może być proporcjonalna do położenia potencjometru.
Jeśli potencjometr zostanie przesunięty na szczyt rezystancji, do wzmacniacza zostanie dostarczone maksymalne napięcie dodatnie reprezentujące pełną prędkość. Podobnie, jeśli wycieraczka potencjometru zostanie przesunięta na dno rezystancji, zostanie dostarczone napięcie zerowe reprezentujące bardzo wolną prędkość lub zatrzymanie.,
wtedy pozycja suwaka potencjometrów reprezentuje wejście, θi, które jest wzmacniane przez wzmacniacz (sterownik) do napędzania silnika PRĄDU stałego (procesu) z ustawioną prędkością N reprezentującą wyjście, θo układu. Silnik będzie nadal obracał się ze stałą prędkością określoną przez położenie potencjometru.
ponieważ ścieżka sygnału od wejścia do wyjścia jest ścieżką bezpośrednią nie stanowiącą części żadnej pętli, ogólne wzmocnienie systemu będzie kaskadowymi wartościami poszczególnych zysków z potencjometru, wzmacniacza, silnika i obciążenia., Wyraźnie pożądane jest, aby Prędkość wyjściowa silnika była identyczna z położeniem potencjometru, dając ogólny zysk układu jako jedność.
jednak poszczególne przyrosty potencjometru, wzmacniacza i silnika mogą się zmieniać w czasie wraz ze zmianami napięcia zasilania lub temperatury, lub obciążenie silników może wzrosnąć, powodując zakłócenia zewnętrzne układu sterowania silnikiem w otwartej pętli.,
ale użytkownik w końcu zda sobie sprawę ze zmiany wydajności systemów (zmiana prędkości obrotowej silnika) i może ją skorygować, odpowiednio zwiększając lub zmniejszając sygnał wejściowy potencjometrów, aby utrzymać pierwotną lub pożądaną prędkość.
zaletą tego typu „open-loop motor control” jest to, że jest potencjalnie tani i prosty w implementacji, dzięki czemu idealnie nadaje się do stosowania w dobrze zdefiniowanych systemach, gdy relacja między wejściem i wyjściem jest bezpośrednia i nie ma wpływu na żadne zakłócenia zewnętrzne., Niestety ten typ układu otwartej pętli jest niewystarczający, ponieważ zmiany lub zakłócenia w układzie wpływają na prędkość silnika. Wtedy wymagana jest inna forma kontroli.
w kolejnym tutorialu na temat układów elektronicznych przyjrzymy się efektowi podawania części sygnału wyjściowego na wejście, tak aby sterowanie systemami opierało się na różnicy między rzeczywistymi a pożądanymi wartościami. Ten typ elektronicznego systemu sterowania nazywa się kontrolą W Pętli Zamkniętej.,
