W dziedzinie systemów sterowania sterowniki odgrywają kluczową rolę w zapewnieniu stabilnego i wydajnego działania różnych procesów. Wśród licznych typów regulatorów, dwa podstawowe i szeroko stosowane są regulatory proporcjonalne i sterowniki całkowe. Jako dostawca sterowników zrozumienie różnic między tymi dwoma typami sterowników ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia najlepszych rozwiązań naszym klientom. Na tym blogu zagłębimy się w charakterystykę, zasady działania, zalety i wady sterowników proporcjonalnych i całkujących oraz zbadamy ich różne zastosowania.
Zasady pracy
Sterownik proporcjonalny
Sterownik proporcjonalny, często określany jako regulator P, generuje sygnał wyjściowy proporcjonalny do błędu pomiędzy żądaną wartością zadaną a rzeczywistą zmienną procesową. Matematycznie moc wyjściową (u(t)) regulatora proporcjonalnego można wyrazić jako:
[u(t)=K_p\razy e(t)]
gdzie (K_p) jest wzmocnieniem proporcjonalnym, a (e(t)) jest błędem w czasie (t), obliczonym jako (e(t) = r(t)-y(t)), gdzie (r(t)) jest wartością zadaną, a (y(t)) jest zmienną procesową.
Wzmocnienie proporcjonalne (K_p) określa siłę reakcji regulatora na błąd. Większa wartość (K_p) oznacza bardziej agresywną reakcję, co może szybko zmniejszyć błąd. Jeżeli jednak wartość (K_p) zostanie ustawiona zbyt wysoko, może to doprowadzić do przeregulowania, w którym zmienna procesowa przekroczy wartość zadaną, a nawet spowodować niestabilność systemu.
Na przykład w systemie kontroli temperatury, jeśli wartość zadana wynosi (50^{\circ}C), a aktualna temperatura wynosi (40^{\circ}C), błąd (e(t)=50 - 40=10^{\circ}C). Jeżeli (K_p = 2), to wyjście regulatora proporcjonalnego (u(t)=2\times10 = 20). Wyjście to zostanie następnie wykorzystane do regulacji elementu grzejnego w celu zwiększenia temperatury.
Zintegrowany kontroler
Sterownik integralny lub sterownik I uwzględnia skumulowany błąd w czasie. Sygnał wyjściowy (u(t)) sterownika całkującego jest określony wzorem:
[u(t)=K_i\int_{0}^{t}e(\tau)d\tau]
gdzie (K_i) jest wzmocnieniem całkowym, a człon całkowy (\int_{0}^{t}e(\tau)d\tau) reprezentuje sumę wszystkich błędów przeszłych od czasu (0) do (t).
Główną zaletą sterownika integralnego jest jego zdolność do eliminacji błędu stanu ustalonego. Nawet mały, trwały błąd będzie z czasem całkowany w sposób ciągły, a sygnał wyjściowy sterownika będzie wzrastał, aż błąd zostanie zredukowany do zera. Jednakże działanie całkujące jest stosunkowo powolne, gdyż zależy od kumulacji błędów. Może to również spowodować niestabilność systemu, jeśli wzmocnienie całkujące (K_i) jest zbyt wysokie, ponieważ skumulowany błąd może szybko narastać.
Na przykład w systemie kontroli prędkości silnika, jeśli występuje stałe obciążenie, które powoduje mały, ale ciągły błąd prędkości, sterownik integralny będzie stopniowo zwiększał swoją moc wyjściową w miarę upływu czasu, aż prędkość silnika osiągnie wartość zadaną.
Charakterystyka
Szybkość reakcji
Sterowniki proporcjonalne szybko reagują na zmiany błędu. Gdy tylko wystąpi błąd, regulator proporcjonalny generuje sygnał wyjściowy proporcjonalny do wielkości błędu. Dzięki temu nadaje się do systemów wymagających szybkiej reakcji początkowej.
Z drugiej strony sterowniki integralne reagują wolniej. Ponieważ polegają one na kumulacji błędów w czasie, utworzenie członu całkującego i wywarcie znaczącego wpływu na system zajmuje trochę czasu.
Stałe — błąd stanu
Jedną z najbardziej znaczących różnic pomiędzy regulatorami proporcjonalnymi i całkującymi jest ich zdolność do radzenia sobie z błędami stanu ustalonego. Sterownik proporcjonalny może zmniejszyć błąd, ale zwykle nie może go całkowicie wyeliminować. Zawsze będzie istniała niewielka różnica pomiędzy wartością zadaną a zmienną procesową w stanie ustalonym, zwana przesunięciem.
Natomiast sterownik integralny ma na celu wyeliminowanie błędu stanu ustalonego. Całkując błąd w czasie, stale dostosowuje sygnał wyjściowy, aż błąd wyniesie zero.
Stabilność
Sterowniki proporcjonalne mogą działać niestabilnie, jeśli wzmocnienie proporcjonalne (K_p) jest ustawione na zbyt wysokie. Wysokie wartości (K_p) mogą powodować przeregulowanie i oscylacje systemu, co prowadzi do niestabilności.
Sterowniki całkujące mogą również powodować niestabilność, zwłaszcza gdy wzmocnienie całkujące (K_i) jest zbyt duże. Nagromadzenie błędów może prowadzić do dużej mocy wyjściowej sterownika, co może powodować niestabilność systemu i oscylacje.
Zalety i wady
Sterownik proporcjonalny
Zalety:
- Prosta konstrukcja i łatwe do wdrożenia. Prawo kontroli proporcjonalnej jest proste i można je łatwo zaprogramować w systemie sterowania.
- Szybka reakcja na nagłe zmiany błędu. Może szybko dostosować system, aby zmniejszyć wielkość błędu.
Wady:
- Nie można wyeliminować błędu stanu ustalonego. W stanie ustalonym zawsze będzie występować przesunięcie pomiędzy wartością zadaną a zmienną procesową.
- Podatne na przeregulowanie i niestabilność, jeśli wzmocnienie proporcjonalne nie jest odpowiednio dostrojone.
Zintegrowany kontroler
Zalety:
- Eliminuje błąd stanu stałego. Jest to znacząca zaleta w zastosowaniach, w których wymagana jest duża dokładność.
- Potrafi skutecznie radzić sobie z uporczywymi błędami. Może w sposób ciągły regulować system, aż do całkowitego usunięcia błędu.
Wady:
- Powolna reakcja. Budowa działania całkującego wymaga czasu, co może nie być odpowiednie w przypadku systemów wymagających szybkiej reakcji.
- Podatny na niestabilność, jeśli wzmocnienie całkujące jest ustawione na zbyt wysokie. Kumulacja błędów może prowadzić do dużych przeregulowań i oscylacji.
Aplikacje
Sterownik proporcjonalny
Sterowniki proporcjonalne są powszechnie stosowane w zastosowaniach, w których wymagana jest szybka reakcja i tolerowany jest błąd stanu ustalonego. Oto kilka przykładów:
- Kontrola przepływu: W systemie kontroli przepływu wody sterownik proporcjonalny może szybko dostosować otwarcie zaworu, aby regulować natężenie przepływu w odpowiedzi na zmiany zapotrzebowania.
- Kontrola poziomu: W systemie kontroli poziomu w zbiorniku można zastosować regulator proporcjonalny do regulacji przepływu na wlocie lub wylocie w celu utrzymania poziomu w pobliżu wartości zadanej.
Jeśli szukasz sterownika proporcjonalnego do swojej aplikacji, być może zainteresuje Cię nasza ofertaSterownik bezstopniowej regulacji EPC, który oferuje precyzyjne sterowanie proporcjonalne z regulowanymi parametrami.
Zintegrowany kontroler
Sterowniki integralne są preferowane w zastosowaniach, w których kluczowa jest wysoka dokładność i eliminacja błędu stanu ustalonego. Oto kilka przykładów:
- Kontrola temperatury w produkcji precyzyjnej: W procesie produkcji półprzewodników, gdzie wymagana jest precyzyjna kontrola temperatury, zintegrowany sterownik może zapewnić utrzymanie temperatury na poziomie zadanym bez żadnych błędów stanu ustalonego.
- Sterowanie położeniem w robotyce: W systemie kontroli położenia ramienia robota zintegrowany sterownik może wyeliminować błąd położenia i zapewnić dokładne pozycjonowanie.
NaszPrzenośny kontroler EPCIKontroler przyciemniania szkła PDLCzostały zaprojektowane ze zintegrowanymi funkcjami sterowania, aby zapewnić wysoką precyzję sterowania w różnych zastosowaniach.
Wniosek
Podsumowując, regulatory proporcjonalne i sterowniki integralne mają różne cechy, zasady działania, zalety i wady. Sterowniki proporcjonalne oferują szybką reakcję, ale nie mogą wyeliminować błędu stanu ustalonego, podczas gdy sterowniki integralne mogą eliminować błędy stanu ustalonego, ale mają wolniejszą reakcję. Zrozumienie tych różnic jest niezbędne przy wyborze odpowiedniego sterownika do konkretnego zastosowania.
Jako dostawca sterowników dokładamy wszelkich starań, aby dostarczać wysokiej jakości sterowniki, które spełniają różnorodne potrzeby naszych klientów. Niezależnie od tego, czy potrzebujesz szybko reagującego sterownika proporcjonalnego, czy też bardzo precyzyjnego sterownika zintegrowanego, mamy dla Ciebie odpowiednie rozwiązanie. Jeśli są Państwo zainteresowani naszymi produktami lub mają Państwo jakiekolwiek pytania dotyczące wyboru sterownika, prosimy o kontakt w celu zamówienia i dalszej dyskusji.
Referencje
- Ogata, K. (2010). Nowoczesna inżynieria sterowania. Sala Prentice’a.
- Dorf, RC i Bishop, RH (2016). Nowoczesne systemy sterowania. Pearsona.
