Управление и регулирование
В инженерной практике количественные значения допускают управление и регулирование.
При управлении осуществляется изменение количества без возможности компенсации внешних воздействий. При выполнении регулирования количество поддерживается равным заданному значению с целью компенсации внешних воздействий.
В приведенном ниже примере управление означает, что человек может установить фиксированное значение тепловой мощности. Нагреватель не может компенсировать падение температуры в помещении в случае открытия окна.
В приведенном ниже примере регулирование означает, что человек может увеличить значение тепловой мощности, если температура в помещении опускается ниже 20 °C. Если температура в помещении становится выше 20 °C, тепловая мощность снижается.
Основополагающие понятия регулирования
В приведенном примере ток электрического отопления является регулируемой переменной. Переменный резистор является исполнительным механизмом. Рука, управляющая исполнительным механизмом, называется органом управления. Фактическая температура в помещении является управляемой переменной или значением технологического процесса. Требуемая температура в помещении является заданным значением переменной или уставкой. Электрическая система отопления называется управляющим процессом. Термометр называется датчиком. Падение температуры при открытии окна называется переменная возмущения.
Таким образом, человек измеряет значение технологического процесса (температуру в помещении) датчиком (термометром), сравнивает значение технологического процесса (температуру в помещении) с заданным значением переменной (требуемой температурой в помещении) и использует исполнительный механизм (переменный резистор) для ручного регулирования регулируемой переменной (тока отопления) с целью компенсации переменной возмущения (падения температуры при открытии окна). Человек в этой системе играет роль регулятора.
Устройство управления состоит из исполнительного механизма и органа управления.
Орган управления совместно с регулятором образуют регулирующее устройство.
На приведенном ниже рисунке содержится абстрактное отображение описанной выше ситуации.
Элемент сравнения использует датчик для сравнения заданного значения переменной со значением технологического процесса. При выявлении отклонения заданного значения переменной от значения технологического процесса в контуре формируется положительное или отрицательное значение ошибки, которое в свою очередь изменяет значение технологического процесса.
Контур регулирования
Значение технологического процесса x оказывает влияние на регулируемую переменную M при помощи устройства регулирования. При этом образуется замкнутый контур, известный под названием контура регулирования.
Если в рассмотренном выше примере открывается окно, температура в помещении уменьшается. Человек должен увеличить тепловую мощность отопителя. В случае чрезмерного увеличения тепловой мощности температура становится слишком высокой. В этом случае человеку необходимо уменьшить тепловую мощность.
В случае слишком быстрого увеличения или уменьшения тепловой мощности в контуре регулирования начинаются колебания. Температура в помещении начинает колебаться. В помещении становится то слишком тепло, то слишком холодно. Для предотвращения этого человек должен осторожно и медленно уменьшать или увеличивать тепловую мощность.
Ошибка контура
Ошибка контура представляет собой разность заданного значения переменной и значения технологического процесса. Иными словами: отклонение значения технологического процесса от установленного значения.
e = SP – PV
Ошибка контура e вызывает изменение регулируемой переменной M.
Это можно прекрасно проиллюстрировать на приведенном выше примере: если при требуемом значении температуры 20 °C (= заданное значение w), температура в помещении равна 22 °C (= технологическое значение PV), этому случаю соответствует ошибка контура:
e = SP – PV = 20 °C - 22 °C = -2 °C
В этом случае отрицательный знак указывает на обратное действие: тепловая мощность уменьшается.
Если контур регулирования находится в состоянии равновесия, ошибка контура является нулевой или очень низкой. При изменении управляемой переменной или при возмущении ошибка контура увеличивается. Ошибка контура корректируется изменением регулируемой переменной M.