Układy elektroniczne i technika pomiarowa/Moduł 8

From Studia Informatyczne

wersja beta


UKŁADY ELEKTRONICZNE I TECHNIKA POMIAROWA

Moduł 8 - Regulatory elektroniczne

Enlarge
Wykład 8. Regulatory elektroniczne

Enlarge
Wprowadzenie

Określenia sterowanie i regulacja w potocznym użyciu są zbliżone do siebie i często są stosowane wymiennie jako bliskoznaczne.

Układ sterowania bądź układ regulacji może być rozumiany jako wydzielony fizyczny obiekt, zawierający oprócz przekształtnika i odbiornika energii elektrycznej zestaw układów elektronicznych, przetwarzających sygnały zadające i pomiarowe tak, aby uzyskać poprawne działanie urządzenia. Podstawową cechą charakteryzującą układ sterowania jest obecność sprzężenia zwrotnego lub też jego brak. W przypadku występowania takiego sprzężenia mówi się o zamkniętym układzie sterowania, układzie regulacji lub o układzie regulacji automatycznej. W układach sterowania bez sprzężenia zwrotnego – zwanych też układami otwartymi – często występuje konieczność ręcznego nastawiania wielkości zadającej, aby skorygować odchyłki wielkości wyjściowej, występujące wskutek zmiany parametrów układu (tzw. „sterowanie ręczne”).


Enlarge
Jednym z najistotniejszych elementów układu sterowania jest regulator, który umożliwia poprawną i bezpieczną pracę urządzenia w stanie ustalonym i w stanach przejściowych (dynamicznych).

Stosowanie w torze sterowania regulatora ma na celu uzyskanie nie tylko bezpiecznej (stabilne)j pracy układu, ale również odpowiedniej jakości nastawiania wielkości sterowanej i kompensacji zakłóceń.


Enlarge
Opracowanie właściwego układu sterowania lub regulacji urządzenia energoelektronicznego wymaga rozpoznania specyfiki rozlicznych rodzajów układów sterowania spotykanych w praktyce. Ze względu na rodzaj sygnału zadającego

i sposób jego zmienności w czasie rozróżnia się następujące rodzaje sterowania:

  1. Sterowanie stałowartościowe, w którym nastawiana w większych odstępach czasu wartość wielkości regulowanej powinna być stabilizowana, przy przestrajaniu wielkości zadającej uchyb przejściowy powinien zanikać dostatecznie szybko.
  2. Sterowanie programowe. W którym o zmianach wielkości zadającej decyduje nadrzędny system sterowania, generujący funkcję (program) zmian stanu urządzenia. Dobrym przykładem są systemy sterowania całkowicie zautomatyzowanych linii obrabiarkowych, wykonujących detale o zadanym kształcie. Szczególnym typem prostego sterowania programowego jest sterowanie sekwencyjne, w którym kolejne operacje są powtarzane tak, jak np. przy napełnianiu i etykietowaniu pojemników.
  3. Sterowanie nadążane – zwane też często śledzącym – przeznaczone do możliwie wiernego odtwarzania chwilowych wartości stale zmieniającego się sygnału, który odtwarza przypadkowo zmieniający się stan obiektu, jak np. przy śledzeniu ruchu rakiety przez antenę radaru.

Enlarge
Ważnym ze względu na stopień trudności wyboru układu sterowania i metody jego projektowania jest podział na układy liniowe i nieliniowe. Konsekwencją braku liniowości jest nie podleganie układu zasadzie superpozycji (superpozycja polega na tym, że odpowiedź układu na sumę wymuszeń jest równa sumie odpowiedzi na każde z tych wymuszeń oddzielnie). Pewnym uproszczeniem w określeniu liniowości jest stwierdzenie liniowości charakterystyk statycznych obiektu sterowania poszczególnych bloków wchodzących w układ sterowania. Występowanie nieliniowości w układzie stanowi niekiedy utrudnienie w doborze metody sterowania, a także w zaprojektowaniu konkretnej struktury regulacji. Układy nieliniowe często można traktować jako liniowe w otoczeniu punktu pracy. W celu linearyzacji układu niekiedy stosuje się dodatkowe człony o nieliniowej charakterystyce odwrotnej, do charakterystyki sterowania.

Istotne rozróżnienie wśród układów sterowania wynika z liczby wielkości regulowanych. Najczęściej są spotykane układy z jednym „wyjściem”, jednak niekiedy konieczne jest regulowanie niezależne kilku wielkości (np. w maszynie asynchronicznej jest regulowany strumień magnetyczny i prędkość obrotowa).

Szczególne znaczenie praktyczne ma podział na sterownie ciągłe i dyskretne. Podział ten jest pokrewny innemu, wynikającemu ze sposobu technicznej realizacji, a mianowicie na układy analogowe i cyfrowe. Jeżeli układ sterowania jest zbudowany w taki sposób, że wszystkie sygnały sterujące są ciągłe i w obszarze zmienności bez ograniczeń co do przyjmowanych wartości i chwil, w których może dochodzić do zmiany, jest to układ sterowania ciągłego. Tego rodzaju układy sterowania są z zasady realizowane w technologii analogowej, charakteryzującej się budowaniem obwodów ze wzmacniaczami operacyjnymi. Inne rozwiązanie – które ze względu na liczne zalety użytkowe jest coraz szerzej wprowadzane do nowoczesnych urządzeń- polega na wykorzystaniu mikroprocesora, tj. układu cyfrowego, który w szeregu kolejno następujących po sobie operacji matematyczno-logicznych może przeliczyć komplet równań opisujących strukturę sterowania. Ponieważ sygnały pomiarowe muszą być przetworzone z ciągłych sygnałów analogowych, uzyskiwanych z układów pomiarowych, na cyfrowe, więc konieczne jest zastosowanie przetworników analogowo-cyfrowych. Cechą charakterystyczną układów cyfrowych jest przetwarzanie sygnałów w odniesieniu do ściśle określonych przedziałów czasu, w których występują zmiany ich wartości.

Zastosowanie mikroprocesorów rozszerza znacznie możliwości realizacji cyfrowych układów sterowania w porównaniu z techniką budowania tych układów jako obwodów analogowych. Dzięki faktowi, że w tym przypadku struktura układu regulacji jest odwzorowana w algorytmie programu zapisanego w pamięci, z łatwością można ją zmienić w trakcie pracy (układy ze zmienną strukturą) lub dopasować nastawy do zmiennych parametrów obiektu i procesu sterowania (układy adaptacyjne).


Enlarge
Najprostszy układ regulacji to taki w którym występuje tylko jedna wielkość regulowana i w związku z tym jeden regulator. Schemat funkcjonalny takiego układu zawiera transmitancje obiektu regulacji oraz poprzedzającego go regulatora, objęte pętlą sprzężenia zwrotnego.

Enlarge
Transmitancje operatorowe oraz charakterystyki czasowe i amplitudowo-fazowe podstawowych członów układów regulacji.

Człon proporcjonalny

G(s)=K 8.1

Człon całkujący

\displaystyle G(s)=\frac{K}{sT_i} 8.2

Enlarge
Człon inercyjny I rzędu
\displaystyle G(s)=\frac{K}{1+sT} 8.4

Człon inercyjny II rzędu

\displaystyle G(s)=\frac{K}{1+sT_1+(sT_2)^2} 8.5

Enlarge
Człon różniczkujący rzeczywisty
\displaystyle G(s)=\frac{K\cdot T_d\cdot s}{1+sT_d} 8.6

Człon opóźniający

\displaystyle G(s)=K\cdot e^{\displaystyle -sT_0} 8.7

Enlarge
Często w układach regulacji stosuje się popularną strukturę, w której dzięki szeregowemu połączeniu regulatorów uzyskuje się wewnętrzną (podrzędną)

i zewnętrzną (nadrzędną) pętlę regulacji. W układach energoelektronicznych zazwyczaj pętla wewnętrzna jest pętlą regulacji prądu wyjściowego przekształtnika, a pętla zewnętrzna dotyczy takich sterowanych wielkości jak, napięcie, prędkość obrotowa, strumień, temperatura itp.


Enlarge
Niekiedy spotyka się również strukturę równoległą, w której z uwagi na człon wyboru „mniejszy niż” w każdej chwili działa tylko jedna pętla – z aktywnym regulatorem. Przy projektowaniu układu i doborze regulatorów każdą z tych struktur można sprowadzić do układu podstawowego przedstawionego na slajdzie 6.

Enlarge
Szeroko stosowana metoda analizy i projektowania zamkniętego układu regulacji na podstawie transmitancji operatorowej polega na wyznaczeniu – na płaszczyźnie zespolonej – charakterystyk amplitudowo-fazowych odwzorowujących transmitancję widmową układu otwartego T_R(j\omega)\cdot T_0(j\omega).
\displaystyle T_R(j\omega)=G_R(s)|_{s=j\omega} 8.8
\displaystyle T_0(j\omega)=G_0(s)|_{s=j\omega} 8.9

W pierwszym rzędzie możliwe jest sprawdzenie według tzw. kryterium Nyquista, czy układ jest stabilny. Warunek tego kryterium można sformułować następująco: Układ zamkniętej regulacji jest stabilny, jeżeli charakterystyka amplitudowo-fazowa układu otwartego nie obejmuje punktu (-1,j0)\, przy zmianie częstotliwości od 0 do \infty\,. Zwykle poza sprawdzeniem warunku stabilności na wykresie sprawdza się zapas fazy (\Delta\varphi) i zapas wzmocnienia (\Delta K) dla charakterystycznych punktów, odpowiadających przecięciu przez wykres koła o promieniu jednostkowym i przecięciu osi rzeczywistej w obszarze objętym przez to koło tak, jak to pokazano przykładowo na wykresie. Stabilność układu otwartego można również ocenić na podstawie logarytmicznych charakterystyk częstotliwościowych: amplitudowej i fazowej.


Enlarge
Korekta przebiegu częstotliwościowej charakterystyki amplitudowo-fazowej układu otwartego jest dokonywana przy zastosowaniu regulatora o odpowiednio dobranej transmitancji T_R(j\omega). Stosuje się regulatory typu: proporcjonalnego (P), całkującego (I), proporcjonalno-całkującego (PI), proporcjonalno-różniczkującego (PD) oraz proporcjonalno-całkująco-różniczkującego (PID).

Enlarge
Transmitancje operatorowe, odpowiedzi na skok jednostkowy i charakterystyki amplitudowo-fazowe regulatorów P oraz I.

Enlarge
Transmitancje operatorowe, odpowiedzi na skok jednostkowy i charakterystyka amplitudowo-fazowa regulatora PI oraz PD.

Enlarge
Transmitancja operatorowa, odpowiedż na skok jednostkowy i charakterystyki amplitudowo-fazowe regulatorów PID.

Regulatory zawierające część różniczkującą D – proporcjonalną do szybkości zmian błędu regulacji rzadko stosowne z uwagi na niebezpieczeństwo wzmacniania tętnień, które z zasady występują w wielkościach regulowanych. Najczęściej jest rozpowszechniony regulator proporcjonalno-całkujący PI, który dzięki części całkującej I zapewnia zmniejszenie błędu regulacji w stanie ustalonym do zera (tzw. astatyzm) i jednocześnie dobre właściwości dynamiczne układu.


Enlarge
Stosowanie w torze sterowania regulatora ma na celu uzyskanie nie tylko stabilnej pracy układu, ale również odpowiedniej jakości nastawiania wielkości sterowanej oraz kompensacji zakłóceń. Do oceny jakości działania regulatorów stosuje się ujednolicone metody – zwane kryteriami jakości. Dotyczą one głównie stanów dynamicznych, występujących przy zmianie wielkości sterowanych. Przyczyną takiej zmiany może być nastawienie nowej wartości zadanej lub wystąpienie zakłócenia

w torze sterowania, polegające zwykle na zmianie warunków pracy układu. Najczęściej kryteria jakości odnosi się do jednego z tych stanów, a mianowicie skokowej zmiany zadanej wielkości sterującej.


Enlarge
Odpowiedź układu regulacji w postaci zmiany wielkości wyjściowej, która nadąża za wielkością zadaną, może mieć różny kształt jak przedstawiono to na slajdzie.

Do ilościowej oceny właściwości dynamicznych układu na podstawie odpowiedzi na skok sygnału na wejściu sterującym, są stosowane następujące wskaźniki:

  • czas ustalania t_s\,, po którym uchyb wielkości wyjściowej mieści się w granicach \pm 5 \%
  • czas narastania t_r\,,w którym sygnał zmienia się od 0,1 do 0,9 wartości ustalonej
  • czas opóźnienia t_d\,, który upływa od chwili wystąpienia skoku na wejściu do pojawienia się odpowiedzi na wyjściu układu
  • czas do wystąpienia maksimum pierwszego przeregulowania t_m\,, przy czym p_z\, oznacza wartość pierwszego przeregulownia określoną w procentach względem wartości ustalonej.

Enlarge
Przytoczone wskaźniki określają istotne cechy układu regulacji i mogą stanowić kryteria do porównania i optymalizacji. Bardziej złożone kryteria polegają na stosowaniu wskaźników całkowych, które oblicza się dla przedziału czasu ustalania t_s\,, jako całkę z funkcji błędu w postaci ogólnej

Przy czym błąd e(t) stanowi różnicę pomiędzy wielkością zadaną x(t) i wielkością wyjściową y(t).

W praktyce stosuje się następujące typy kryteriów, dla których jest poszukiwane minimum jednego z poniżej przedstawionych wskaźników całkowych:

Całka z kwadratu błędu
Całka z czasu mnożonego przez kwadrat błędu
Całka z kwadratu czasu mnożonego przez kwadrat błędu

Enlarge
Przedstawiona klasyczna teoria analizy i projektowania zamkniętego systemu sterowania z wykorzystaniem opisu za pomocą transmitancji operatorowej i charakterystyk częstotliwościowych jest bardzo użyteczna i powszechnie stosowana do prostych obiektów liniowych, stacjonarnych, z jednym wejściem sterującym i jedną wielkością kontrolowaną.

W wielu przypadkach występuje konieczność regulacji kilku wielkości w pętli zamkniętych. Dąży się wtedy do struktury sterowania charakteryzującej się szeregowym (kaskadowym) połączeniem regulatorów i wzajemnie podporządkowanym ułożeniem zamkniętych pętli, jak na rysunku doboru nastaw regulatorów dokonuje się wtedy rozwiązując poszczególne pętle kolejno poczynając od wewnętrznej.


Enlarge
Realizacje techniczne regulatorów

W zależności od sposobu realizacji regulator może mieć postać podzespołu elektronicznego zbudowanego z zastosowaniem wzmacniaczy operacyjnych lub też stanowić procedurę w programie sterującym mikrokontrolera. W każdym z tych przypadków jest wyodrębniony jako blok funkcjonalny, opisany transmitancją i charakteryzujący się odpowiednio dobranymi nastawami. Regulatory ciągłe (analogowe) są stosowane w coraz mniejszym zakresie, jednak w przypadku przekształtników pracujących z dużą częstotliwością łączeń nie mogą być zastąpione przez regulatory dyskretne (cyfrowe).

Specjalna grupa regulatorów powszechnie stosowanych w urządzeniach energoelektronicznych to regulatory nieliniowe typu dwustanowego.

Nowoczesne metody sterowania umożliwiają wprowadzenie do układów sterowania bloków charakteryzujących się zdolnościami podobnymi do rozumu ludzkiego. Mówimy wtedy o regulatorach z elementami sztucznej inteligencji. Dwie metody znalazły w ostatnich czasach szczególne zastosowanie – sieci neuronowe i układy logiki rozmytej. Główną zaletą tych regulatorów jest niewielka wrażliwość na zmiany parametrów układów i odporność na zakłócenia.


Enlarge
Dobór nastaw regulatorów ciągłych

Poza określeniem typu regulatora konieczne jest dobranie parametrów K_R\,, T_i\, i T_d\, co określamy doborem nastaw.

K_R\, – współczynnik proporcjonalności

T_i\, – czas zdwojenia (zwany stałą całkowania) określa czas potrzebny na to, by przy wymuszeniu skokowym na wejściu regulatora uzyskać na jego wyjściu sygnał dwukrotnie większy od tego, który wynika ze współczynnika K_R\,

T_d\, – czas wyprzedzenia, to czas, po upływie którego od podania na wejście regulatora PD sygnału narastającego liniowo sygnał na wyjściu regulatora osiągnął dwukrotną wartość tej, która wynika z działania różniczkowego. Proces doboru nastaw, przy których uzyskuje się najkorzystniejsze z punktu widzenia przyjętego kryterium jakości przebiegi dynamiczne układu nazywamy optymalizacją.


Enlarge
Aby uzyskać możliwie szybko narastającą odpowiedź układu przy niewielkim przeregulowaniu stosuje się kryterium modułu.

Enlarge
Jeżeli reakcja regulatora dobranego według modułu jest za wolna stosuje się kryterium symetrii. W tym przypadku występuje znacznie większe przeregulowanie niż w przypadku kryterium modułu.

Enlarge
W celu uniknięcia znacznego przeregulowania w odpowiedzi na skok w wielkości zadanej, przy doborze nastaw według kryterium symetrii, należy na wejściu zadającym zastosować filtr, który ogranicza stromość zmian sygnału zadającego.

Enlarge
Podstawowe obwody funkcyjne regulatorów analogowych

Regulator P oraz I.


Enlarge
Regulator PI oraz PD.

Enlarge
Regulatory dyskretne

Układy sterowania w nowoczesnych urządzeniach są w znacznej części przypadków układami cyfrowymi, w których centralną funkcję pełni mikroprocesor lub tzw. mikrokontroler (mikrokontrolerem nazywa się mikroprocesor wraz z układami sprzęgów wykonany w postaci układu scalonego). Fakt, że funkcje sterowania są w tym przypadku obliczane cyfrowo jest przyczyną dyskretyzacji w czasie procesu działania układu. Sam termin układ dyskretny w odróżnieniu od układu ciągłego oznacza, że wartości uwzględniane w procesie mają postać ciągu impulsów, co odpowiada reprezentacji funkcji tylko w określonych i z zasady równych odstępach czasu. Innym rodzajem dyskretyzacji, również występującym w cyfrowych układach sterowania, jest kwantyzacja wartości sygnału. W rzeczywistych układach najbardziej znaczącą przyczyną występowania minimalnych wartości zmian (kwantów), oprócz długości słowa stosowanego w mikrokontrolerze (mikroprocesorze), jest dokładność przetwarzania uzyskiwana w przetwornikach analogowo-cyfrowych. Typowy parametr - długość słowa stosowanych przetworników wynosi 8, 10 lub 12 bitów, co odpowiada podziałowi całego zakresu wielkości mierzonych na 256, 1024 lub 4096 kwantów.

Ogólny schemat dyskretnego układu sterowania przedstawiono na rysunku. Blok regulatora jest w takim rozwiązaniu reprezentowany przez algorytm sterowania, zawarty w programie mikrokontrolera. Wielkość mierzona – stanowiąca sygnał sprzężenia zwrotnego – jest wprowadzana do mikrokontrolera tylko w chwilach tzw. próbkowania, powtarzanych z okresem T_s\,. Wynik obliczeń algorytmu sterowania jest wprowadzany również z częstotliwością próbkowania, przy czym bądź jest wykorzystywany w postaci liczbowej do sterowania układu wykonawczego, bądź wymaga przetworzenia na wielkość analogową.

Dyskretne układy cyfrowe wypierają układy analogowe. Cyfrowy układ gwarantuje stabilność parametrów regulacji z upływem czasu i przy zmianach temperatury, a także łatwość ich zmiany nawet w trakcie pracy sterowanego urządzenia. Dopuszczalna jest również w trakcie pracy zmiana struktury układu, co znacznie zwiększa elastyczność sterowania. Ogólnie biorąc, regulatory cyfrowe mają znacznie szersze możliwości stosowania nowoczesnych metod sterowania, z uwzględnieniem stosunkowo złożonych operacji matematycznych. Procedury optymalizacyjne stosowane w układach sterowania cyfrowego mogą uwzględniać znacznie bardziej złożone kryteria, np. kryteria całkowe wywodzące się z nowoczesnych struktur sterowania w przestrzeni stanów. W związku z łatwością zmiany parametrów podczas funkcjonowania układu są tworzone regulatory, które mają właściwość samodostrajania się do parametrów konkretnego obiektu na podstawie automatycznie prowadzonych podczas uruchamiania pomiarów (jest to tzw. self-tuning). Inną cenną właściwością regulatorów i całych cyfrowych systemów jest sterowanie adaptacyjne. Zgodnie z nazwą oznacza ono automatyczne dopasowanie właściwości układu sterowania do zmiennych w czasie właściwości i parametrów obiektu. Te zróżnicowane funkcje, opisujące blok regulatora w cyfrowym układzie sterowania, są reprezentowane przez algorytmy i procedury wchodzące w skład oprogramowania (soltware’u).


Enlarge
Wśród różnorodnych struktur nadal najbardziej rozpowszechnione są regulatory typu PI, stanowiące cyfrową realizację klasycznych regulatorów analogowych. Funkcjonalny schemat układu z regulatorami cyfrowymi jest taki sam jak schemat układów analogowych. Na slajdzie przedstawiono sieć działań wykonywanych

w programie mikrokontrolera. W pojedynczym cyklu próbkowania po wczytaniu aktualnej wartości wielkości zadanej oraz wartości mierzonej i wyznaczeniu uchybu jest realizowana procedura obliczeń samego regulatora. W tym samym cyklu następuje wyprowadzenie wyników obliczeń na zewnątrz mikrokontrolera – dla sterowania samym przekształtnikiem. Całkowity czas trwania cyklu odpowiadającego okresowi próbkowania zależy nie tylko od czasu obliczeń algorytmu regulatora, ale musi uwzględniać czas obsługi obwodów zewnętrznych (tzw. interfejsów lub sprzęgów).W praktyce szczególnie istotny jest czas niezbędny na konwersję sygnałów przez analogowo-cyfrowe przetworniki sygnałów pomiarowych. Czas trwania cyklu próbowania może być uzależniony od czasu trwania pętli programu bądź – co jest często praktykowane – odmierzany przez zewnętrzny lub wewnętrzny generator sterujący mikrokontrolerem za pośrednictwem przerwań. Czas cyklu próbkowania musi być stały, bowiem tylko wtedy można stosować proste procedury numerycznego rozwiązywania funkcji różnicowych.


Enlarge
Regulatory nieliniowe

Specyficzną rodziną regulatorów szczególnie użytecznych w układach sterowania są regulatory dwu i wielostanowe. Zasada ich działania wywodzi się z ogólnych metod regulacji dwupołożeniowej. W przypadku, gdy prosty przekształtnik zawiera jeden łącznik sterowany, wówczas pojedynczy dwustanowy regulator z histerezą wystarczy do zrealizowania pełnej kontroli prądu. Przekształtnik zawierający większą liczbę łączników, które przyjmują większą niż dwa liczbę stanów roboczych, może być sterowany poprzez zestaw kilku regulatorów dwustanowych, które można rozpatrywać jako jeden złożony regulator wielostanowy.

Zasada działania podstawowej wersji regulatora dwustanowego – zwanego też histerezowym – jest zilustrowana na przykładzie układu regulacji prądu w impulsowym sterowniku zasilanym ze źródła napięcia stałego. Funkcjonalnie najważniejszą częścią tego układu jest komparator histerezowy KH o charakterystyce statycznej zaznaczonej symbolicznie na schemacie. Tak jak to ilustrują przebiegi, w chwili gdy sygnał pomiarowy prądu wyjściowego przekształtnika przekroczy wartość wielkości zadanej prądu io zad powiększoną o wartość połowy strefy histerezy (\Delta I/2), wówczas następuje zmiana stanu wyjścia komparatora i wyłączenie tranzystora. Po zmniejszeniu się prądu wyjściowego do wartości zadanej pomniejszonej o połowę wartości strefy histerezy następuje ponowna zmiana stanu wyjścia komparatora i związane z nią załączenie tranzystora, a więc ponowne wzrastanie prądu. W ten prosty sposób uzyskuje się wahania wartości prądu wyjściowego wokół wartości zadanej, przy czym odchyłka w każdym cyklu przełączeń jest stała i wynosi \Delta I/2. Strefa histerezy komparatora jest nastawianym parametrem, od którego zależy dokładność śledzenia prądu. Częstotliwość łączeń, którą się ustala w przypadku stałej wartości zadanego prądu, zależy od parametrów odbiornika: indukcyjności L_d\, i wartości średniej napięcia odbiornika E_o\, oraz od wartości strefy histerezy \Delta I.

Istotną zaletą regulatorów dwustanowych w podstawowej wersji jest duża dynamika. Jak wynika z przebiegu przedstawionego na slajdzie, jeżeli na skutek np. zmiany wartości zadanej w chwili t_x\, wielkość regulowana znajdzie się poza strefą histerezy, to regulator utrzymuje stan łącznika, przy którym wielkość regulowana z maksymalną szybkością zmierza do wartości zadanej. Również w tym przypadku nie obserwuje się zjawiska przeregulowania. Inną pozytywną cechą układów sterowania dwustanowego jest wielka prostota układu, gdyż regulator pełni jednocześnie funkcje modulatora formującego sygnały logiczne, określające stany łączników.


Enlarge
Regulatory o sztucznej inteligencji

Pojęcie sztucznej inteligencji wiąże się z dążeniem automatyków do stworzenia układów sterowania, które mogłyby samoczynnie dopasowywać sposób swego działania do zmiennych warunków pracy. Dzięki takim właściwościom ingerencję człowieka na etapie instalacji urządzenia, jak i bieżącej obsługi można by praktycznie wyeliminować lub znacznie ograniczyć. Zaletą układów inteligentnych jest duża niezawodność, wynikająca z braku wrażliwości na zmianę właściwości układu, zwłaszcza czujników pomiarowych. Podstawą do opracowania takich układów jest zastosowanie złożonego przetwarzania sygnałów, w którym na podstawie zgromadzonej wiedzy eksperckiej następuje modyfikacja parametrów sterowania w zależności od wartości sygnałów doprowadzanych z zewnątrz (zadających lub pomiarowych). Ogólny schemat układu sterowania z inteligentnym regulatorem przedstawiono na slajdzie. W ostatnim dziesięcioleciu szczególnie intensywnie pracowano nad dwiema metodami tworzenia inteligentnych układów sterowania: sztucznych sieci neuronowych i logiki rozmytej.


Enlarge
Termin sieć neuronowa został wprowadzony na podstawie podobieństwa schematu i sposobu działania sieci sztucznej do obrazu i dalece uproszczonego sposobu działania rzeczywistej sieci połączonych neuronów – komórek nerwowych organizmów żywych. Jak widać, sztuczna sieć neuronowa jest złożona z kilku warstw zawierających zestaw elementarnych operatorów – elementów neuronowych, z których każdy jest zbudowany jak na rysunku. Funkcja przenoszenia Fp, której argumentem jest suma wszystkich sygnałów wejściowych neuronu przemnożonych przez współczynnik k, jest dobierana tak, by uzyskać dużą efektywność. Przykładowy wykres często stosowanej funkcji nieliniowej pokazano w bloku na schemacie neuronu. Dla uzyskania pożądanego działania sieci, polegającego na przetwarzaniu sygnałów wejściowych w sygnały wyjściowe sterujące, konieczne jest dobranie współczynników wagi – mnożników w każdym połączeniu pomiędzy neuronami ułożonymi w warstwy. Liczba warstw musi być większa od dwóch, przy czym warstwy poza wejściową i wyjściową noszą nazwę ukrytych. Proces dobierania współczynników jest nazywany uczeniem sieci (gromadzeniem wiedzy o działaniu układu). Możliwe jest uczenie w trakcie pracy („on line”). lub też uczenie przed uruchomieniem, np. na podstawie symulacji komputerowych (tzw. „off line”). Uwzględniając w procesie uczenia możliwie szeroki zakres przypadków sterowania urządzenia zarówno przy pracy normalnej, jak i w stanach zakłóceniowych, uzyskuje się wspomnianą powyżej zdolność dopasowania sieci. podstawową metodą, którą stosuje się przy uczeniu, jest tzw. propagacja wsteczna, w której sygnały wyjściowe z sieci są porównywane z sygnałami wzorcowymi np. z modelu. Sygnał błędu jest wykorzystany do przestrajania współczynników w połączeniach sieci, aby uzyskać jak najlepszą zgodność przebiegu zadanego ze sterowanym.

Enlarge
Inną metodą rozpowszechniającą się, nawet bardziej niż sieci neuronowe, jest logika rozmyta (ang. fuzzy logic). Ogólna zasada budowy i funkcjonowania regulatora „rozmytego” przedstawiono na slajdzie. W procesie przetwarzania sygnałów wejściowych regulatora w sygnały sterujące można wyróżnić trzy zasadnicze etapy. W pierwszym z nich następuje tzw. „rozmycie” zmiennych wejściowych i wyjściowych, co oznacza ich transformację do zbioru nowych zmiennych. Są to zmienne lingwistyczne, charakteryzowane przez tzw. funkcję przynależności. Wykres takiej funkcji podany na rysunku dotyczy przykładowego określania wartości napięcia (małe, średnie, duże) i jak widać charakteryzuje się zwykle kształtem trapezoidalnym lub trójkątnym. Dobór charakterystyk zbiorów zmiennych lingwistycznych jest dokonywany na podstawie wiedzy i doświadczenia projektanta.

W etapie drugim na podstawie – określonych również w oparciu o wiedzę eksperta – reguł logicznych następuje w wyniku procesu wnioskowania modyfikacja funkcji przynależności zmiennych wyjściowych – tzw. kompozycja. Reguły stosowane w tym etapie do ustalenia wzajemnych relacji mają postać typowych relacji wynikających, jak np. „JEŻELI napięcie jest małe”, TO wzmocnienie regulatora jest „duże”. Uzyskane w wyniku zastosowania zbioru wszystkich reguł (niekiedy kilkudziesięciu) zmodyfikowane funkcje przynależności wielkości wyjściowych muszą w trzecim etapie pracy regulatora zostać przetworzone w wielkości „nierozmyte”, czyli jednoznacznie określone – co nazywa się procesem defuzyfikacji. Stosowane są w tym celu operacje matematyczne w rodzaju „znajdywanie środka ciężkości pola pod wykresem funkcji przynależności” lub „środek maksimum”.


Enlarge
Regulatory rozmyte mają szczególne zastosowanie w odniesieniu do sterowania procesami, dla których nie istnieją ścisłe modele matematyczne, a wiedza o obiekcie sterowania jest wiedzą doświadczalną typu eksperckiego. Poza pośrednim zastosowaniem regulatorów „rozmytych” istnieje możliwość ich wykorzystywania do przestrajania parametrów regulatorów zwykłych PI lub PID. Dzięki takiej adaptacji uzyskuje się znacznie korzystniejsze właściwości dynamiczne układu regulacji.