Основы интеграции и саморегулирующихся процессов

Процесс, который по своей природе является интегративным, имеет тенденцию производить выходные данные, пропорциональные промежуточной сумме входных значений, которые накопились за время. Если вход станет отрицательным, то процесс приведет к пропорциональному уменьшению его амплитуды, что приведет к снижению выхода. Например, для резервуара с водой входными данными будет количество жидкости, поступающей внутрь, а выходными данными — уровень воды, поддерживаемый резервуаром. Пока вход остается положительным, уровень воды будет продолжать расти, но когда вход становится отрицательным (отток больше, чем приток), выходной уровень будет снижаться.

Теперь рассмотрим работу серводвигателя. Входное напряжение на двигателе определяет его крутящий момент, который затем ускоряет нагрузку. Вращение продолжается до тех пор, пока входное напряжение не равно нулю, а положение нагрузки зависит от накопленных оборотов. Если входное напряжение становится отрицательным, вал начинает вращаться назад и выходное положение уменьшается. Поведение как водяного бака, так и серводвигателя одинаково, поскольку оба объекта будут поддерживать свой выходной уровень, пока входной сигнал неотрицательный.

Так ведут себя все интегрирующие процессы. Входные данные накапливаются и распределяются по окружающей среде. Скорость, с которой происходят эти два процесса, зависит от управляемой машины, а также от физических факторов, таких как трение, сопротивление и инерция. Но как только ввод добавлен в систему, он существует до тех пор, пока отрицательное значение не отменит его.

Неинтегрирующие процессы

Рассмотрим протекающий резервуар для воды. Он будет продолжать терять воду, независимо от того, что является входом. Точно так же серводвигатель который вращается против пружины кручения, будет продолжать терять положение независимо от значения напряжения. Такие процессы могут достигать точки равновесия, когда добавления могут быть компенсированы непредсказуемыми потерями. Например, для резервуара с несколькими утечками было бы невозможно иметь выходной уровень выше определенной точки. Эти процессы не являются интегративными, накапливая свои входы, но достигая только определенной точки, которая является равновесием между притоком и оттоком.

Следует отметить, что лишь некоторые интегрирующие процессы не обладают спонтанными потерями, тогда как некоторые неинтегрирующие процессы имеют достаточно большие постоянные времени, что затрудняет достижение ими точки равновесия. Это стирает грань между ними.

Выбор контроллера

Работа инженера по управлению состоит в том, чтобы определить характер процесса и к какому концу спектра он принадлежит. Это позволяет ему/ей выбрать стратегию управления, подходящую для процесса. Регулировать неинтегрирующий процесс легче, поскольку точка равновесия накладывает естественный предел на выпуск. Контроллеру не нужно выполнять утомительный процесс поиска правильного ввода.

Именно по этой причине неинтегрирующие процессы иногда называют саморегулирующимися из-за их способности достигать стационарного состояния без необходимости вмешательства со стороны регулятора. Тем не менее, усилия контролера обратной связи по-прежнему необходимы для увеличения/уменьшения входных данных процесса, если возникнет такая необходимость.

Традиционные ПИ- и ПИД-регуляторы предназначены для работы как с интегрирующими, так и с саморегулирующимися процессами; однако конфигурация отличается. Большинство правил настройки учитывают оба этих процесса, предоставляя формулы, по которым можно рассчитать параметры контроллера P, I и D.

Иногда даже простой П-регулятор может удовлетворить требования интегрирующего процесса благодаря происходящему накоплению. Это дает контроллеру те же характеристики, что и интегратору в ПИ- или ПИД-регуляторе. Кроме того, если целью контроллера является определение величины входного сигнала, необходимого для обеспечения соответствия выходного сигнала определенной уставке, то П-регулятор хорошо подходит.

Этого нельзя сказать о неинтегрирующих процессах, поскольку П-регулятор может сдаться до того, как выходной сигнал приблизится к заданному значению. Это приведет к установившейся ошибке, которая сохранится, даже если контроллер попытается компенсировать возмущение нагрузки. Эти ошибки также могут влиять на процессы интегрирования и связаны с физическими параметрами, такими как разная плотность жидкости.

Главные вызовы на пути к Индустрии 4.0 Взаимосвязь ИТ/ОТ