В теории управления контроллер с разомкнутым контуром , также называемый контроллером без обратной связи , представляет собой часть контура управления системы управления , в которой управляющее действие («вход» в систему [1] ) не зависит от «выхода процесса». ", который является контролируемой переменной процесса . [2] Он не использует обратную связь для определения того, достиг ли его выход желаемой цели входной команды или заданного значения процесса .
Существует множество систем управления с разомкнутым контуром , таких как включение/выключение клапанов, механизмов, освещения, двигателей или нагревателей, где известно, что результат управления примерно достаточен в нормальных условиях без необходимости обратной связи. Преимуществом использования управления с разомкнутым контуром в этих случаях является уменьшение количества и сложности компонентов. Однако система с разомкнутым контуром не может исправлять любые ошибки, которые она совершает, или исправлять внешние возмущения, а также не может участвовать в машинном обучении , в отличие от системы управления с замкнутым контуром .
По сути, существует два типа контура управления: управление с разомкнутым контуром (прямая связь) и управление с обратной связью (обратная связь).
При управлении с разомкнутым контуром управляющее действие контроллера не зависит от «выходного сигнала процесса» (или «управляемой переменной процесса»). Хорошим примером этого является котел центрального отопления, управляемый только таймером, поэтому тепло подается в течение постоянного времени, независимо от температуры в здании. Управляющим действием является включение/выключение котла, но регулируемой переменной должна быть температура здания, а не так, потому что это разомкнутое управление котлом, которое не дает замкнутого управления температурой.
При управлении с обратной связью управляющее действие контроллера зависит от выходного сигнала процесса. В случае аналогии с котлом это будет включать термостат для контроля температуры в здании и, таким образом, подавать обратный сигнал, чтобы гарантировать, что контроллер поддерживает в здании температуру, установленную на термостате. Таким образом, контроллер с замкнутым контуром имеет контур обратной связи, который гарантирует, что контроллер осуществляет управляющее воздействие, чтобы получить выходной сигнал процесса, такой же, как «заданный вход» или «заданное значение». По этой причине контроллеры с обратной связью также называют контроллерами с обратной связью. [3]
Согласно определению Британского института стандартов, система управления с замкнутым контуром — это «система управления, имеющая обратную связь мониторинга, при этом сигнал отклонения, формируемый в результате этой обратной связи, используется для управления действием конечного элемента управления таким образом, чтобы стремятся свести отклонение к нулю». [4]
Так же; « Система управления с обратной связью — это система, которая имеет тенденцию поддерживать заданное соотношение одной системной переменной с другой путем сравнения функций этих переменных и использования разницы в качестве средства управления». [5]
Контроллер с разомкнутым контуром часто используется в простых процессах из-за его простоты и низкой стоимости, особенно в системах, где обратная связь не имеет решающего значения. Типичным примером может служить бытовая сушилка для одежды старой модели , продолжительность работы которой полностью зависит от решения человека-оператора, без автоматической обратной связи о сухости одежды.
Например, спринклерная система орошения, запрограммированная на включение в заданное время, может быть примером системы с разомкнутым контуром, если она не измеряет влажность почвы в качестве формы обратной связи. Даже если на лужайку льет дождь, спринклерная система сработает вовремя, тратя воду впустую.
Другим примером является шаговый двигатель , используемый для управления положением. Отправка ему потока электрических импульсов заставляет его вращаться ровно на такое же количество шагов, отсюда и название. Если бы предполагалось, что двигатель всегда выполняет каждое движение правильно, без обратной связи по положению, это было бы управление с разомкнутым контуром. Однако если имеется энкодер положения или датчики, указывающие начальное или конечное положение, то это управление с обратной связью, как, например, во многих струйных принтерах . Недостаток управления шаговыми двигателями с разомкнутым контуром заключается в том, что если нагрузка машины слишком велика или двигатель пытается двигаться слишком быстро, шаги могут быть пропущены. Контроллер не имеет средств для обнаружения этого, поэтому машина продолжает работать с небольшими отклонениями от настроек до перезагрузки. По этой причине более сложные роботы и станки вместо шаговых двигателей используют серводвигатели , которые включают в себя энкодеры и контроллеры с обратной связью .
Однако управление с разомкнутым контуром очень полезно и экономично для четко определенных систем, где взаимосвязь между входными данными и результирующим состоянием может быть надежно смоделирована с помощью математической формулы. Например, хорошим применением может быть определение напряжения , которое должно подаваться на электродвигатель , приводящий в движение постоянную нагрузку, для достижения желаемой скорости . Но если бы нагрузка была непредсказуемой и стала чрезмерной, скорость двигателя могла бы меняться в зависимости от нагрузки, а не только от напряжения, и контроллера с разомкнутым контуром было бы недостаточно для обеспечения повторяемого управления скоростью.
Примером этого является конвейерная система, которая должна двигаться с постоянной скоростью. При постоянном напряжении конвейер будет двигаться с разной скоростью в зависимости от нагрузки на двигатель (здесь представленной весом объектов на конвейере). Чтобы конвейер работал с постоянной скоростью, напряжение двигателя необходимо регулировать в зависимости от нагрузки. В этом случае потребуется замкнутая система управления.
Таким образом, существует множество средств управления с разомкнутым контуром, таких как включение и выключение клапанов, освещения, двигателей или обогревателей, где известно, что результат примерно достаточен без необходимости обратной связи.
Систему управления с обратной связью, такую как ПИД-регулятор , можно улучшить, объединив обратную связь (или управление с обратной связью ) ПИД-регулятора с управлением с прямой связью (или с разомкнутым контуром). Знания о системе (например, желаемое ускорение и инерция) могут быть переданы вперед и объединены с выходными данными ПИД-регулятора для улучшения общей производительности системы. Одно только значение прямой связи часто может обеспечить большую часть выходного сигнала контроллера. ПИД-регулятор в первую очередь должен компенсировать любую разницу или ошибку , остающуюся между уставкой (SP) и реакцией системы на управление с разомкнутым контуром. Поскольку на выходной сигнал прямой связи не влияет обратная связь процесса, он никогда не может вызвать колебания системы управления, тем самым улучшая реакцию системы, не влияя на стабильность. Упреждающая связь может основываться на заданном значении и на дополнительных измеренных возмущениях. Взвешивание заданного значения — это простая форма прямой связи.
Например, в большинстве систем управления движением для ускорения контролируемой механической нагрузки от привода требуется большее усилие. Если ПИД-регулятор с контуром скорости используется для управления скоростью нагрузки и управления силой, прикладываемой приводом, то полезно взять желаемое мгновенное ускорение, соответствующим образом масштабировать это значение и добавить его к выходному сигналу ПИД-регулятора. контроллер контура скорости. Это означает, что всякий раз, когда нагрузка ускоряется или замедляется, от привода подается пропорциональная сила независимо от значения обратной связи. В этой ситуации контур ПИД-регулятора использует информацию обратной связи для изменения объединенного выходного сигнала, чтобы уменьшить оставшуюся разницу между уставкой процесса и значением обратной связи. Работая вместе, комбинированный регулятор с прямой связью с разомкнутым контуром и ПИД-регулятор с замкнутым контуром в некоторых ситуациях могут обеспечить более отзывчивую систему управления.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )