В теории управления контроллер с открытым контуром , также называемый контроллером без обратной связи , представляет собой часть контура управления системы управления , в которой управляющее воздействие («вход» для системы [1] ) не зависит от «выхода процесса», который является переменной процесса , которая контролируется. [2] Он не использует обратную связь для определения того, достиг ли его выход желаемой цели входной команды или уставки процесса .
Существует много разомкнутых контуров управления, таких как включение/выключение клапанов, машин, освещения, двигателей или нагревателей, где известно, что результат управления приблизительно достаточен при нормальных условиях без необходимости обратной связи. Преимущество использования разомкнутого контура управления в этих случаях заключается в уменьшении количества компонентов и сложности. Однако разомкнутая система не может исправлять какие-либо ошибки, которые она делает, или исправлять внешние помехи в отличие от замкнутой системы управления .
По сути, существует два типа контура управления: управление с разомкнутым контуром (прямая связь) и управление с замкнутым контуром (обратная связь).
При управлении с открытым контуром управляющее воздействие контроллера не зависит от «выходного сигнала процесса» (или «регулируемой переменной процесса»). Хорошим примером этого является котел центрального отопления, управляемый только таймером, так что тепло подается в течение постоянного времени, независимо от температуры здания. Управляющим воздействием является включение/выключение котла, но управляемой переменной должна быть температура здания, но это не так, поскольку это управление котлом с открытым контуром, которое не дает замкнутого контура управления температурой.
В управлении с замкнутым контуром управляющее воздействие контроллера зависит от выходного сигнала процесса. В случае аналогии с котлом это будет включать термостат для контроля температуры здания и, таким образом, обратной связи сигнала, чтобы гарантировать, что контроллер поддерживает температуру здания на уровне, установленном на термостате. Таким образом, контроллер с замкнутым контуром имеет контур обратной связи, который гарантирует, что контроллер применяет управляющее воздействие для выдачи выходного сигнала процесса, соответствующего «опорному входу» или «заданному значению». По этой причине контроллеры с замкнутым контуром также называются контроллерами с обратной связью. [3]
Определение замкнутой системы управления согласно Британскому институту стандартов : «система управления, имеющая контрольную обратную связь, причем сигнал отклонения, сформированный в результате этой обратной связи, используется для управления действием конечного элемента управления таким образом, чтобы стремиться свести отклонение к нулю». [4]
Аналогично; « Система управления с обратной связью — это система, которая стремится поддерживать заданное соотношение одной системной переменной к другой путем сравнения функций этих переменных и использования разницы в качестве средства управления». [5]
Контроллер с открытым контуром часто используется в простых процессах из-за его простоты и низкой стоимости, особенно в системах, где обратная связь не является критической. Типичным примером может служить старая модель бытовой сушилки для одежды , для которой продолжительность времени полностью зависит от суждения оператора-человека, без автоматической обратной связи о сухости одежды.
Например, система орошения , запрограммированная на включение в установленное время, может быть примером системы с открытым контуром, если она не измеряет влажность почвы в качестве формы обратной связи. Даже если на газон льет дождь, система орошения будет активироваться по расписанию, тратя воду впустую.
Другим примером является шаговый двигатель, используемый для управления положением. Отправка ему потока электрических импульсов заставляет его вращаться ровно на столько шагов, отсюда и название. Если бы предполагалось, что двигатель всегда выполняет каждое движение правильно, без позиционной обратной связи, это было бы управление с разомкнутым контуром. Однако, если есть позиционный кодер или датчики для указания начального или конечного положения, то это управление с замкнутым контуром, например, во многих струйных принтерах . Недостатком управления шаговыми двигателями с разомкнутым контуром является то, что если нагрузка на машину слишком высока или двигатель пытается двигаться слишком быстро, то шаги могут быть пропущены. Контроллер не имеет средств для обнаружения этого, и поэтому машина продолжает работать с небольшой разрегулировкой до сброса. По этой причине более сложные роботы и станки вместо этого используют серводвигатели , а не шаговые двигатели, которые включают в себя кодеры и контроллеры с замкнутым контуром .
Однако управление с разомкнутым контуром очень полезно и экономично для четко определенных систем, где связь между входом и результирующим состоянием может быть надежно смоделирована математической формулой. Например, определение напряжения, которое должно подаваться на электродвигатель , который приводит в движение постоянную нагрузку, для достижения желаемой скорости, было бы хорошим применением. Но если бы нагрузка была непредсказуемой и стала чрезмерной, скорость двигателя могла бы меняться как функция нагрузки, а не только напряжения, и контроллер с разомкнутым контуром был бы недостаточен 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 (представленной здесь весом объектов на конвейере). Для того чтобы конвейер работал с постоянной скоростью, напряжение двигателя должно регулироваться в зависимости от нагрузки. В этом случае потребуется замкнутая система управления.
Таким образом, существует множество разомкнутых контуров управления, таких как включение и выключение клапанов, освещения, двигателей или нагревателей, где результат известен как приблизительно достаточный без необходимости в обратной связи.
Система управления с обратной связью, например, ПИД-регулятор , может быть улучшена путем объединения обратной связи (или управления с обратной связью ) ПИД-регулятора с управлением с прямой связью (или управлением с разомкнутым контуром). Знания о системе (например, желаемое ускорение и инерция) могут быть переданы вперед и объединены с выходом ПИД для улучшения общей производительности системы. Значение прямой связи само по себе часто может обеспечить большую часть выходного сигнала регулятора. ПИД-регулятор в первую очередь должен компенсировать любую разницу или ошибку, оставшуюся между заданным значением (SP) и реакцией системы на управление с разомкнутым контуром. Поскольку выход прямой связи не зависит от обратной связи процесса, он никогда не может вызвать колебания системы управления, тем самым улучшая реакцию системы, не влияя на устойчивость. Прямая связь может быть основана на заданном значении и на дополнительных измеренных возмущениях. Взвешивание заданного значения является простой формой прямой связи.
Например, в большинстве систем управления движением для ускорения контролируемой механической нагрузки требуется больше силы от привода. Если ПИД-регулятор контура скорости используется для управления скоростью нагрузки и управления силой, прилагаемой приводом, то полезно взять желаемое мгновенное ускорение, соответствующим образом масштабировать это значение и добавить его к выходу ПИД-регулятора контура скорости. Это означает, что всякий раз, когда нагрузка ускоряется или замедляется, пропорциональное количество силы задается приводом независимо от значения обратной связи. ПИД-контур в этой ситуации использует информацию обратной связи для изменения объединенного выхода с целью уменьшения оставшейся разницы между заданным значением процесса и значением обратной связи. Работая вместе, объединенный разомкнутый контур прямой связи и замкнутый контур ПИД-регулятора могут обеспечить более отзывчивую систему управления в некоторых ситуациях.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )