Sterowanie

Sterowanie (regulacja) polega na takim oddziaływaniu na obiekt sterowania, za pomocą sygnałów wejściowych, aby jego sygnały wyjściowe osiągnęły pożądaną wartość.

Z reguły jeśli oddziaływanie na obiekt jest niepożądane lub nieplanowane to zjawisko to nazywamy zakłóceniem (w takim przypadku można zastosować sterowanie odporne).

Sterowanie może odbywać się w układzie otwartym lub zamkniętym.

Sterowanie ręczne a automatyczne

Sterowanie może być realizowane przy pomocy człowieka - sterowanie ręczne lub za pomocą specjalnie skonstruowanego urządzenia (regulatora) - sterowanie automatyczne.

Sterowanie w układzie otwartym

Sterowanie w układzie otwartym (ręczne lub automatyczne) polega na takim nastawieniu wielkości wejściowej, aby znając charakterystykę obiektu i przewidując możliwość działania nań zakłóceń, otrzymać na wyjściu pożądaną wartość.

Najczęstszym przedmiotem uwagi w teorii sterowania są zachowania układów dynamicznych w czasie. Pożądaną wartość wyjścia układu nazywamy wartością zadaną. Kiedy od jednego lub więcej wyjść układu wymagamy specyficznego zachowania się w czasie, regulator próbuje manipulować wejściem układu tak, aby jego wyjście zachowywało się w pożądany sposób.

Jako przykład posłuży nam sterowanie samochodem, przy czym zależy nam na utrzymaniu stałej jego prędkości. W tym przypadku układem jest samochód, wielkością wyjściową układu - prędkość, wielkością wejściową - przesunięcie pedału gazu, a wartością zadaną - pożądana prędkość.

Najprostszym sposobem na rozwiązanie takiego zadania jest zablokowanie pedału gazu w ustalonej pozycji. Rozwiązanie takie ma jednak podstawową wadę - dobrze sprawdzać się będzie tylko na płaskim terenie. Podczas jazdy pod górę samochód zwolni, a podczas zjeżdżania z góry przyśpieszy.

Taki rodzaj sterowania nazywamy sterowaniem w otwartej pętli (ang. open-loop), ponieważ w układzie nie ma połączenia między wyjściem a wejściem układu. Podstawową wadą takiego rodzaju sterowania jest wpływ dynamiki układu na wartość wyjściową.

Sterowanie w układzie zamkniętym

Sterowanie w układzie zamkniętym (ręczne lub automatyczne) różni się od sterowania w układzie otwartym tym, że człowiek lub regulator otrzymują dodatkowo poprzez sprzężenie zwrotne informacje o stanie wielkości wyjściowej. Informacja ta (odczytana z miernika lub podana w postaci np. napięcia do regulatora) jest używana do korygowania nastaw wielkości wejściowej.

Aby uniknąć problemów występujących przy sterowaniu w otwartej pętli, teoria sterowania korzysta z idei sprzężenia zwrotnego (ang. feedback). Wyjście układu $y$ jest porównywane z wartością zadaną $r$, a różnica tych wielkości, zwana uchybem $e$ jest podana na wejście regulatora $C$. Dzięki temu regulator posiada informację o aktualnym błędzie sterowania i może tak zmieniać wartość wejściową $u$ obiektu $P$, aby zmniejszyć uchyb do zera. Co za tym idzie, wielkość wyjściowa układu jest stale utrzymywana możliwie blisko wartości zadanej.

Wadą takiego rozwiązania jest konieczność pojawienia się zakłóceń na wyjściu Y by zostały zauważone, następnie skompensowane przez regulator C. W przypadku mierzalnych sygnałów zakłóceń lepsze efekty daje sterowanie w otwartej pętli (ang. feedforward) od zakłóceń wraz z zamkniętą pętlą od wartości sterowanej.

Taki rodzaj sterowania to sterowaniem z zamkniętą ujemną pętlą sprzężenia zwrotnego, która ma właściwości stabilizujące i linearyzujące.

Prosty układ regulacji ze sprzężeniem zwrotnym

Jeśli załozymy, że regulator $C$ i obiekt $P$ są liniowe, stacjonarne i jednowejściowe oraz jednowyjściowe, możemy dokonać analizy układu przy użyciu transformaty Laplace'a. Uzyskamy wtedy następujące zależności:

$Y(s) = P(s) U(s)\,$

$U(s) = C(s) E(s)\,$

$E(s) = R(s) - Y(s)\,$

Rozwiązując układ równań wyznaczamy zależność $Y(s)$ od $R(s)$, co daje:

$Y(s) = \frac{PC}{1 + PC}R(s)$

Wyrażenie $\frac{PC}{1+PC}$ to funkcja przejścia naszego układu.

Jeśli zapewnimy prawdziwość wyrażenia $PC >\!\!> 1$, to z funkcji przejścia mamy: $Y(s) \approx R(s)$.

Oznacza to, że kontrolujemy wartość wyjściową układu zmieniając po prostu wartość zadaną.

Zobacz też

• układ regulacji
• układ sterowania
• teoria sterowania