Beheerstelsel

'n Beheerstelsel beheer of reguleer die gedrag van ander toestelle of stelsels deur beheerlusse. Dit kan 'n eenvoudige stelsel wees soos wat 'n verhitter in 'n huis beheer met 'n termostaat tot 'n komplekse industriëele beheerstelsel wat gebruik word om masjiene of prosesse te beheer.

Die sentrifugale reëlaar is 'n vroeë proporsionele beheermeganisme. 

Vir deurlopende gemoduleerde beheer word 'n terugvoerbeheerder gebruik om die proses outomaties te beheer. Die beheerstelsel vergelyk die waarde van die prosesveranderlike (PV), wat beheer word, met die stelpunt, wat die gewensde uitset is, en gebruik dan die verskil om die uitset te verander sodat dit dieselfde kan wees as die stelpunt (SP).

Ope-lus en geslote-lus beheer

Daar is twee algemene klasse van beheer: ope-lus en geslote-lus. In 'n ope-lus beheerstelsel is die aksie van die beheerder onafhanklik van die prosesveranderlike. 'n Voorbeeld hiervan is 'n sentrale lugversorgingstelsel vir 'n gebou wat deur 'n tydskakelaar beheer word. In hierdie geval is die prosesveranderlike die temperatuur van die gebou, maar die lugversorger word vir 'n konstante tyd aan- en afgeskakel ongeag die temperatuur. 

In 'n geslote-lus beheerstelsel is die beheer afhanklik van die prosesveranderlike. Soos in die geval van die lugversorger, sal 'n geslote-lus beheerstelsel 'n termostaat gebruik om die gebou se temperatuur te monitor om te verseker die beheerder hou die temperatuur by die gewenste temperatuur. 'n Geslote-lus beheerder het dus 'n terugvoerlus om te verseker die prosesveranderlike bereik die stelpunt. Om hierdie rede word geslote-lus beheerders ook terugvoer beheerders genoem.

Terugvoer beheerstelsels

Voorbeeld van 'n enkele industriële beheerlus.

'n Basiese terugvoerlus

In die geval van lineêre terugvoer stelsel word 'n beheerlus met sensors, beheeralgoritmes en aktueerders (vir 'n meganiese stelsel) gebruik in 'n poging om 'n veranderlike te reguleer om dieselfde te wees as die stelpunt. 'n Alledaagse voorbeeld is die spoedbeheer in 'n voertuig. Die bestuurder stel die gewenste spoed, wat dan dien as die stelpunt. Die beheerder meet dan onder andere die spoed van die voertuig en pas die uitset van die enjin aan om die voertuig te versnel of te vertraag soos nodig om die gewenste spoed te bereik en te behou.

Logiese beheer

Logiese beheerders kan reageer op skakelaars en ander sensors, soos ligsensors of druksensors, wat daartoe kan lei dat die proses begin of stop vir sekere insette. Logiese beheerders word dikwels gebruik om verskillende operasies of prosess op mekaar te laat volg. Hierdie stelsels word hoofsaaklik geïmplementeer op programmeerbare logiese beheerders (Programmable Logic Controller of PLC) of mikroverwerkers.

Voorbeelde van logiese beheer is hysbakke, wasmasjiene en ander stelsels wat interafhanklike stop-begin prosesse het. 'n Outomatiese sekwensiële logiese beheerstelsel kan bv 'n reeks meganiese aktueerders in 'n volgorde aan- en afskakel om 'n spesifieke taak te verrig.

Aan-af beheer

Aan-af beheer is die eenvoudigste geslote-lus beheerstelsel. 'n Termostaat kan beskryf word as 'n aan-af beheerder. Byvoorbeeld in 'n verhitter, sal die termostaat dit aanskakel wanneer die temperatuur onder die minimum daal en afskakel wanneer die temperatuur die maksimum bereik.

Lineêre beheer

Lineêre beheerstelsels gebruik lineêre negatiewe terugvoer om 'n beheersein te genereer, wat die prosesveranderlike naby die stelpunt hou.

Proporsionele beheer

Proporsionele beheer is 'n tipe lineêre terugvoer berheerstelsel, waarin die verandering aan die beheeruitset proporsioneel is aan die verskil tussen die gewenste waarde (stelpunt) en die gemete waarde (prosesveranderlike). 'n Klassieke merganiese voorbeeld hiervan is 'n sentrifugale reëlaar. Nog 'n eenvoudige voorbeeld sal wees wanneer mens 'n glas vol water maak en die kraan kleiner draai soos wat die glas voller word sodat dit nie oorloop nie. In hierdie geval is die beheeruitset hoe groot die kraan oop is, die stelpunt die vlak waartoe die glas volgemaak moet word en die prosesveranderlike die huidige watervlak. Soos wat wat die PV nader kom aan die SP en die verskil SP-PV afneem, word die beheeruitset proporsioneel kleiner.

'n Proporsionele beheerstelsel is meer kompleks as 'n aan-af beheerstelsel, maar eenvoudiger as 'n proporsionele-integrale-differensiale beheerstelsel. Aan-af beheer sal werk wanneer die stelsel 'n stadige reaksietyd het, maar kan tot onstabiliteit lei wanneer die stelsel vinnig reageer. In so geval is proprsionele beheer 'n beter opsie deurdat dit die uitset aanpas om onstabiliteit te voorkom.

'n Nadeel van proporsionele beheer is dat dit nie die residuele SP-PV fout (afset fout) kan elimineer nie omdat dit 'n fout benodig om 'n uitset te genereer. Om dit te oorkom, word 'n propersionele-integrale (PI) beheerder gebruik, Dit gebruik die proporsionele term om die bruto fout te verwyder en die integrale term om die afset fout te verwyder deurdat dit die fout oor tyd integreer om 'n inset na die beheerder te lewer.

Demping

Wanneer die wins van die beheerder laag is, word slegs 'n klein beheeruitset gelewer weens die fout. So stelsel mag veilig en stabiel wees maar dit reageer stadig op veranderinge in die fout. Die stelsel gaan lank vat om die fout reg te stel. So stelsel is oorgedemp. Wanneer die proporsionele wins verhoog word, reageer die stelsel vinniger en die fout word vinniger reggestel. Wanneer die wins te hoog is, lei dit tot ossilasies in die prosesveranderlike en die stelsel is ondergedemp. Wanneer die wins by die optimale waarde is, waar dit vinnig reageer sonder om te ossileer, is dit krities gedemp.

Proporsionele-integrale-differensiale (PID) beheer

'n Blokdiagram van 'n PID beheerder

Effekte van veranderende PID parameters (K_p,K_i,K_d) op die traprespons van 'n stelsel. Kp = proporsionele wins. Ki = Integrale wins. Kd = Differensiale wins.

Om die tekortkominge van slegs proporsionele beheer of proporsionele-differensiale beheer te oorkom, word 'n integraal term by die beheerder gevoeg. Dit bereken die integraal van die fout oor tyd en skakel dus 'n afset fout uit oor tyd. Hierdie beheerder staan bekend as 'n proporionele-integrale-differensiale beheerder. Die beheersuitset is die som van 'n proporsionele, integrale en differensiale term, wat elk deur 'n wins, K, beheer word. 

Differensiale aksie

Die differensiële/afgeleide deel van die respons is gemoeid met die tempo-van-verandering fout met tyd. Indien die gemete veranderlike die stelpunt vinnig benader, word die beheeruitset, soos bv. hoe groot 'n klep oop is, verminder sodat dit stadiger die stelpunt kan bereik. Wanneer die gemete waarde baie vinnig wegbeweeg van die stelpunt, word 'n groter korrektiewe aksie toegepas om dit vinnig weer terug te dwing na die stelpunt. Die beheeruitset is dus afhanklik van die tempo van verandering (eerste afgeleide) van die prosesveranderlike.

Integrale aksie

Verandering in die traprespons van 'n tweede-orde stelsel vir verskillende Ki waardes.

Die integrale term verhoog die effek van langtermyn bestendige toestand foute, sodat hierdie foute uitgeskakel kan word deur die beheerder. Dit voorkum dus dat daar 'n permanente afset in die prosesveranderlike is ten opsigte van die stelpunt. 

Ander tegnieke

Dit is moontlik om die PV sein te filter. Daardeur kan die respons van die stelsel op ongewenste frekwensies verminder word om stabiliteit te bevorder en ossilasies te voorkom.

Terugvoer stelsels kan gekombineer word. In kaskade beheer, pas een beheerlus beheeralgoritmes toe op 'n gemete veranderlike teenoor 'n stelpunt maar gee dan 'n veranderende stelpunt aan die volgende beheerlus. Indien meer as een gemete veranderlike beheer word, sal daar aparte beheerstelsels vir elkeen van hulle wees.

Beheerstelsel ingenieurswese lewer beheerstelsels wat baie meer kompleks is as PID beheer. Voorbeelde hiervan is beheerstelsels vir 'n vliegtuig, 'n chemiese aanlegte of olie rafinaderye. Model voorspelbare beheerstelsels word ontwerp met gespesialiseerde rekenaarsagteware en wiskundige modelle van die stelsel wat beheer word.

Hibriede stelsels van logiese- en PID beheer word ook gebruik.

Fisiese implementasie

'n Beheerkamer waar die aanleg inligting en beheer op rekenaarskerms vertoon word.

'n Beheerpaneel van 'n hidroliese pers met toegewyde sgateware vir daardie funksie.

Implementasies wissel van kompakte beheerders met toegewyde sagteware vir 'n sekere proses, tot verspreide beheerstelsels vir industriële prosesbeheer.

Logiese stelsels en terugvoerbeheerders word algemeen met programmerbare logiese beheerders geïmplementeer.

Eksterne skakels

• Semiautonomous Flight Direction - Reference unmannedaircraft.org
• Control System Toolbox vir die ontwerp en analise van beheerstelsels.
• Control Systems Manufacturer 
• Mathematica functions for the analysis, design, and simulation of control systems