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控制器(控制理論)

作者:鴻興而泰 來源:本站 發表時間:2015-12-15 21:16:43 查看:



輸入變量和控制變量

一個系統可以被描述為一個MIMO系統,具有多個輸入和輸出,因此需要一個以上的控制器;或SISO系統,包含一個單輸入單輸出,因此只有一個控制器。這取決于物理設置(或非物理的)系統、調節系統的輸入變量(假設它是SISO)會影響操作參數,否則稱為控制輸出變量。在收到錯誤信號,標志著期望值之間的差距(設定值)和實際輸出值,控制器將試圖調節控制輸出行為。該控制器通過衰減或放大輸入信號的裝置,輸出恢復到設定值。例如,一個簡單的反饋控制系統,如右邊的圖所示,將產生一個錯誤信號的數學描述的設定值和輸出值之間的差異,r-y.

一個簡單的反饋控制回路說明誤差信號由控制器接收,然后衰減或放大輸入信號的裝置。

這個信號描述的大小由輸出值偏離設定值。信號隨后被發送到控制器,然后解釋和調整的差異。如果植物是身體上的,對系統的輸入是通過調節執行器。

在加熱器溫控器是開環控制,打開或關閉一個例子。溫度傳感器將熱源如果溫度低于設定點和曲折的熱源時,達到設定點。沒有測量點的設置和測量的溫度之間的差異(如沒有誤差的測量)和沒有調整的速度,熱量比其他全或無。

反饋控制是一個熟悉的例子在汽車巡航控制系統。這里的速度是測量變量。操作者(司機)調整所需的速度設置點(100 公里/小時)的速度傳感器和控制器監控和比較測量的速度設定點。任何偏差,如等級、阻力的變化,風速甚至使用不同等級的燃料(如乙醇混合)是由控制器進行補償調整的燃料閥開位置的修正,這是操縱變量。控制器使信息只對誤差的調整(改變或累積誤差的大小,調整率)雖然被稱為調諧用于實現穩定控制。這種控制器的操作主體控制理論。

系統 控制輸出包括 控制器 所需的性能包括
飛機 當然,俯仰,滾動,偏航 自動駕駛儀 保持飛行路徑上的安全平穩的軌跡
溫度 溫度控制器 遵循預熱溫度剖面,然后保持溫度
水處理 出水的pH值 pH值控制器 中和廢水到指定的精度
汽車 速度 巡航控制 達到,然后保持選定的速度沒有不適當的燃油消耗

控制器的概念可以擴展到更復雜的系統。在自然界中,生物個體也要配備控制器,保證平衡對于每一個人生存的必要。人類和自然系統表現出集體行為的個體在控制器之間尋求某種形式的平衡

控制系統的類型編輯]

進入控制理論有控制的兩個基本類型:反饋和前饋。

反饋

一個反饋控制器的輸入是一樣的所要控制的控制變量是“反饋”到控制器。一個房子的恒溫器是一個反饋控制器的一個例子。該控制器依賴于控制變量的測量,在這種情況下,房子的溫度,然后調整輸出,是否是在加熱器。然而,在控制變量不在所需要的設定點中間周期反饋控制的結果通常。與溫控器的例子,如果房子的門是在一個寒冷的天開了,房子就冷靜下來。在低于所需溫度(設定值),熱水器會啟動,但會有一個時期的房子比預期的。

前饋

前饋控制可以避免反饋控制的緩慢。與前饋控制,干擾測量和占在他們有時間對系統的影響。在房子的例子,一個前饋系統可測量的事實,門打開了,自動打開暖氣的房子前可以很冷。前饋控制的難點在于干擾對系統的影響必須準確預測,而且不能有任何的不可測擾動。例如,如果一個窗口被打開,沒有被測量,前饋控制的恒溫器可能仍然讓房子降溫。

實現效益的反饋控制(控制未知干擾和不知道如何將一個系統響應擾動前饋控制)效益(響應的干擾才可以影響系統),有組合的反饋和前饋,可以使用。

實例

一些例子,反饋和前饋控制可以一起進行死區補償,逆響應補償。死區補償用于控制設備,需要很長的時間來顯示任何變化來改變輸入,例如,通過長管組成的流量變化。死區補償控制使用一個元素(也叫Smith預估器)如何改變現在由控制器將在未來影響控制變量。控制變量是測量和用于反饋控制。逆響應補償包括控制系統,首先一個變化影響測量變量的方法之一但后來的影響是相反的。一個例子是吃糖果。首先,它會給你很多能量,但是之后你會很累。可以想象,很難與反饋這一系統的控制,因此預測前饋元素要預測的變化在未來會有相反的效果。”

類型的控制器編輯]

利用機械系統或固體電子實現了在過去的大多數控制閥系統。氣動常被用來傳遞信息和控制使用壓力。然而,大多數的現代工業控制系統現在依靠電腦進行的工業控制器。很明顯的是在計算機上實現復雜的控制算法比機械系統更容易使用。

反饋控制器有幾個簡單的類型。最簡單的是像恒溫器,剛剛轉熱如果溫度低于一定值就超過一定值(開關控制)。

控制器的另一個簡單的類型是比例控制器。這種類型的控制器,控制器的輸出(控制作用)是成比例的誤差在測量變量。

在反饋控制,它是標準定義的錯誤的期望值之間的差異(設定)y_s而當前值(測量)Y。如果誤差較大,則控制作用大。數學:

u(t)= k_c * e(t)+ u_0

在哪兒

u(t)代表控制動作(控制器輸出),E(t)= y_s(T)Y(t)代表誤差,k_c代表控制器的增益,和u_o表示的穩態控制行動(偏置)保持必要的變量在穩態時沒有錯誤。

它是重要的控制作用U抵消被控變量的變化Y(負反饋)。然后根據過程增益符號兩例。

在第一種情況下的處理增益是正的,所以增加了控制變量(測量)Y需要在控制作用降低U(反向控制)。在這種情況下,控制器的增益k_c是積極的,因為錯誤的標準定義中已經包含了一個消極的跡象Y

在第二種情況下,處理增益是負的,所以增加了控制變量(測量)Y需要在控制作用增加U(直接控制)。在這種情況下,控制器的增益k_c是消極的。

一個反向代理系統的一個典型的例子是控制溫度(Y利用蒸汽()U)。在這種情況下,處理增益是積極的,所以如果溫度升高,蒸汽流量必須降低,以保持所需的溫度。相反,一個直接作用的系統的一個典型的例子是使用冷卻水溫度控制。在這種情況下,處理增益是負的,所以如果溫度升高,冷卻水流量必須增加,以維持所需的溫度。

雖然比例控制是簡單的理解,它也有它的缺點。最大的問題是,大多數系統不會完全消除誤差。這是因為當誤差為0的控制器只提供穩態的控制作用使系統會回到原來的穩定狀態的解決(這可能不是我們想要的系統將在新的設定點)。獲取系統操作在新的穩定狀態,控制器的增益,KC,必須非常大,控制器將產生所需的輸出只有一個很小的錯誤的時候。有大的漲幅可能導致系統不穩定或需要身體不可能像無限大的閥門。

在比例控制比例積分(PI)控制比例積分微分(PID)控制。PID控制是常用的實現閉環控制。

開環控制可用于系統充分表征為預測輸出一定會達到預期的狀態。例如,一個旋轉速度電動馬達可能是不夠好的特點提供電壓使反饋不必要。

的缺點開環控制是制度完善的知識(即一個完全知道輸入給為了獲得期望的輸出),并假定沒有干擾對系統。

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