制御システム

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遠心調速機は初期の比例制御機構です。

制御システムは、制御ループを使用して、他のデバイスまたはシステムの動作を管理、コマンド、指示、または調整しますそれは、家庭用ボイラーを制御するサーモスタットを使用する単一の家庭用暖房コントローラーから、プロセスまたは機械 を制御するために使用される大規模な産業用制御システムにまで及ぶ可能性があります。

連続変調制御の場合、フィードバックコントローラーを使用してプロセスまたは操作を自動的に制御します。制御システムは、制御されているプロセス変数(PV)の値またはステータスを目的の値または設定値(SP)と比較し、その差を制御信号として適用して、プラントのプロセス変数出力をセットポイント。

シーケンシャルおよびコンビネーションロジックの場合、プログラマブルロジックコントローラなどのソフトウェアロジックが使用されます。

開ループおよび閉ループ制御

制御アクションには、開ループと閉ループの2つの一般的なクラスがあります。開ループ制御システムでは、コントローラーからの制御アクションはプロセス変数から独立しています。この一例は、タイマーによってのみ制御されるセントラルヒーティングボイラーです。制御動作は、ボイラーのオンまたはオフの切り替えです。プロセス変数は建物の温度です。このコントローラーは、建物の温度に関係なく、一定時間暖房システムを操作します。

閉ループ制御システムでは、コントローラーからの制御アクションは、目的の実際のプロセス変数に依存します。ボイラーの例えの場合、これはサーモスタットを利用して建物の温度を監視し、信号をフィードバックして、コントローラーの出力が建物の温度をサーモスタットに設定された温度に近づけるようにします。閉ループコントローラーにはフィードバックループがあり、コントローラーが制御アクションを実行して、設定値と同じ値でプロセス変数を制御するようにします。このため、閉ループコントローラーはフィードバックコントローラーとも呼ばれます。[1]

フィードバック制御システム

単一の産業用制御ループの例。プロセスフローの継続的に変調された制御を示しています。
基本的なフィードバックループ

線形フィードバックシステムの場合、センサー、制御アルゴリズム、およびアクチュエーターを含む制御ループが、設定値(SP)で変数を調整するために配置されます。日常の例は、道路車両のクルーズコントロールです。丘などの外部の影響によって速度が変化し、ドライバーは希望の設定速度を変更することができます。コントローラのPIDアルゴリズムは、車両のエンジンの出力を制御することにより、 遅延やオーバーシュートを最小限に抑えながら、実際の速度を最適な方法で目的の速度に復元します。

達成しようとしている結果の感知を含む制御システムは、フィードバックを利用しており、さまざまな状況にある程度適応できます。開ループ制御システムはフィードバックを利用せず、事前に設定された方法でのみ実行されます。

論理制御

産業用および商業用機械の論理制御システムは、歴史的に、ラダーロジックを使用して相互接続された電気リレーおよびカムタイマーによって実装されていました。今日、そのようなシステムのほとんどは、マイクロコントローラーまたはより特殊なプログラマブルロジックコントローラー(PLC)で構築されています。ラダーロジックの表記は、PLCのプログラミング方法として現在も使用されています。[2]

ロジックコントローラは、スイッチやセンサーに応答する場合があり、アクチュエータを使用して機械にさまざまな操作を開始および停止させることができますロジックコントローラは、多くのアプリケーションで機械的操作を順序付けるために使用されます。例としては、エレベータ、洗濯機、および相互に関連する操作を行うその他のシステムがあります。自動シーケンシャル制御システムは、タスクを実行するために正しい順序で一連の機械式アクチュエータをトリガーする場合があります。たとえば、さまざまな電気および空気圧トランスデューサーは、段ボール箱を折りたたんで接着し、製品を入れてから、自動包装機で密封する場合があります。

PLCソフトウェアは、ラダー図、SFC(シーケンシャルファンクションチャート)、ステートメントリストなど、さまざまな方法で作成できます[3]

オンオフ制御

オンオフ制御は、2つの状態を突然切り替えるフィードバックコントローラーを使用します。単純なバイメタリック家庭用サーモスタットは、オンオフコントローラーとして説明できます。部屋の温度(PV)がユーザー設定(SP)を下回ると、ヒーターがオンになります。別の例は、空気圧縮機の圧力スイッチです。圧力(PV)が設定値(SP)を下回ると、コンプレッサーに電力が供給されます。冷蔵庫と真空ポンプには同様のメカニズムが含まれています。このような単純なオン/オフ制御システムは、安価で効果的です。

線形制御

線形制御システムは、負のフィードバックを使用して制御信号を生成し、制御されたPVを目的のSPに維持します。さまざまな機能を備えた線形制御システムにはいくつかの種類があります。

比例制御

伝達関数によって定義された2次システムのステップ応答 、 どこは減衰比であり、減衰されていない固有振動数です。

比例制御は、目標値(SP)と測定値(PV)の差に比例する制御変数に補正を加える線形フィードバック制御システムの一種です。2つの典型的な機械的な例は、便器のフロートプロポーショニングバルブフライボールガバナーです。

比例制御システムは、オンオフ制御システムよりも複雑ですが、たとえば自動車のクルーズコントロールで使用される比例積分微分(PID)制御システムよりも単純です。オンオフ制御は、高精度や応答性を必要としないシステムでは機能しますが、迅速でタイムリーな修正や応答には効果的ではありません。比例制御は、制御バルブなどの操作変数(MV)を不安定性を回避するゲインレベルで変調することでこれを克服しますが、最適な量の比例補正を適用することにより、実行可能な限り迅速に補正を適用します。

比例制御の欠点は、比例出力を生成するためにエラーが必要になるため、残留SP-PVエラーを排除できないことです。これを克服するために、 PIコントローラーを使用できます。PIコントローラーは、比例項(P)を使用して総誤差を除去し、積分項(I)を使用して、時間の経過とともに誤差を積分することにより、残差オフセット誤差を除去します。

一部のシステムでは、MVの範囲に実際的な制限があります。たとえば、ヒーターには生成できる熱量に制限があり、バルブはこれまでしか開くことができません。ゲインを調整すると、MVがこれらの制限の間にあるエラー値の範囲が同時に変更されます。この範囲の幅は、誤差変数、したがってPVの単位で表され、比例帯(PB)と呼ばれます。

炉の例

工業炉の温度を制御する場合、通常、炉の現在のニーズに比例して燃料バルブの開度を制御する方が適切です。これは、熱衝撃を回避し、より効果的に熱を加えるのに役立ちます。

低ゲインでは、エラーが検出されたときにわずかな修正措置のみが適用されます。システムは安全で安定している可能性がありますが、状況の変化に応じて動作が遅くなる可能性があります。エラーは比較的長期間修正されずに残り、システムは過減衰します。比例ゲインを上げると、そのようなシステムの応答性が向上し、エラーがより迅速に処理されます。システム全体がクリティカルに減衰していると言われる場合、ゲイン設定には最適な値がありますこのポイントを超えてループゲインが増加すると、PVが振動し、そのようなシステムは減衰不足になります。非常に減衰した動作を実現するためにゲインを調整することは、制御システムの 調整として知られています。

減衰不足の場合、炉は急速に加熱されます。設定値に達すると、ヒーターサブシステム内および炉の壁に蓄熱された熱により、測定された温度が必要以上に上昇し続けます。設定値を超えた後、温度が下がり、最終的には再び熱が加えられます。ヒーターサブシステムの再加熱が遅れると、炉の温度が設定値をさらに下回り、サイクルが繰り返されます。減衰不足の炉制御システムが生成する温度振動は望ましくありません。

非常に減衰したシステムでは、温度が設定値に近づくと、入熱が減少し始め、炉の加熱速度が遅くなり、システムがオーバーシュートを回避します。過減衰システムではオーバーシュートも回避されますが、過減衰システムは、システムの外部変更(炉のドアを開くなど)に応じて、最初に設定値に到達するのに不必要に遅くなります。

PID制御

PIDコントローラーブロック図
システムのステップ応答に対するさまざまなPIDパラメーター(K p、K i、K d )の影響。

純粋な比例コントローラーは、システムに残余誤差を残して動作する必要があります。PIコントローラーはこのエラーを排除しますが、それでも動作が遅くなったり、振動が発生したりする可能性があります。PIDコントローラーは、応答性を向上させながら安定性を維持するため の微分(D)アクションを導入することにより、これらの最終的な欠点に対処します。

派生訴訟

導関数は、時間の経過に伴う誤差の変化率に関係しています。測定された変数が設定値に急速に近づくと、アクチュエータは早期にバックオフされ、必要なレベルまで惰性走行できるようになります。逆に、測定値が設定値から急速に離れ始めた場合は、その速さに比例して、測定値を元に戻すのに役立つ追加の作業が適用されます。

移動中の車両の銃やカメラなどの重いアイテムのモーションコントロールを含む制御システムでは、適切に調整されたPIDコントローラーの派生アクションにより、ほとんどの熟練した人間のオペレーターよりも優れた設定値に到達して維持できます。ただし、微分作用を過剰に適用すると、振動が発生する可能性があります。

インテグラルアクション

Ki値を変化させるためのステップ入力に対する2次システムの応答の変化。

積分項は、長期の定常状態エラーの影響を拡大し、エラーが除去されるまで絶えず増加する努力を適用します。さまざまな温度で動作する上記の炉の例では、適用された熱が炉を設定値に上げない場合、何らかの理由で、積分動作により、PV誤差がゼロに減少するまで、設定値に対して比例帯が徐々に移動します。設定値が達成されます。

1分あたりの割合を増やす

一部のコントローラーには、「1分あたりのランプアップ率」を制限するオプションが含まれています。このオプションは、特に夏の間、軽負荷時に小型ボイラー(3 MBTUH)を安定させるのに非常に役立ちます。ユーティリティボイラー「ユニットは、毎分5%もの速度で負荷を変更する必要がある場合があります(IEA Coal Online-2、2007)」。[4] [検証に失敗しました]

その他のテクニック

PVまたはエラー信号をフィルタリングすることが可能です。そうすることで、望ましくない周波数に対するシステムの応答を減らすことにより、不安定性や振動を減らすことができます。多くのシステムには共振周波数があります。その周波数をフィルターで除去することにより、発振が発生する前に、より強力な全体的なフィードバックを適用でき、システムがバラバラになることなく、システムの応答性が向上します。

フィードバックシステムを組み合わせることができます。カスケード制御では、1つの制御ループが設定値に対して測定された変数に制御アルゴリズムを適用しますが、プロセス変数に直接影響を与えるのではなく、別の制御ループにさまざまな設定値を提供します。システムに制御対象の複数の異なる測定変数がある場合、それらごとに個別の制御システムが存在します。

多くのアプリケーションの制御エンジニアリングは、PID制御よりも複雑な制御システムを生成します。このようなフィールドアプリケーションの例は、フライバイワイヤ航空機制御システム、化学プラント、および石油精製所です。モデル予測制御システムは、専用のコンピューター支援設計ソフトウェアと、制御対象のシステムの経験的な数学的モデルを使用して設計されています。

ファジィ論理

ファジー論理は、論理コントローラーの簡単な設計を複雑で連続的に変化するシステムの制御に適用する試みです。基本的に、ファジー論理システムでの測定は部分的に真である可能性があります。

システムのルールは自然言語で書かれ、ファジー論理に変換されます。たとえば、炉の設計は次のように始まります。「温度が高すぎる場合は、炉への燃料を減らします。温度が低すぎる場合は、炉への燃料を増やします。」

実世界からの測定値(炉の温度など)はファジー化され、ロジックはブール論理とは対照的に算術計算され、出力は制御装置 にファジー化されます。

堅牢なファジー設計を単一の迅速な計算にまとめると、従来のフィードバックループソリューションに似たものになり始め、ファジー設計は不要であるように見える場合があります。ただし、ファジー論理パラダイムは、従来の方法では扱いにくく、導出にコストがかかる大規模な制御システムにスケーラビリティを提供する場合があります。

ファジーエレクトロニクスは、デジタルエレクトロニクスでより一般的に使用される2値ロジックの代わりにファジーロジックを使用する電子技術です

物理的な実装

大画面にプラント情報を表示するDCS制御室。オペレーターは、より大きな画面でプラントの概要を保持しながら、コンピューター画面からプロセスの任意の部分を表示および制御できます。
油圧式熱プレス機の制御盤

制御システムの実装範囲は、特定のマシンまたはデバイス専用のソフトウェアを備えたコンパクトなコントローラーから、大規模な物理プラントの産業用プロセス制御用の分散制御システムまであります。

ロジックシステムとフィードバックコントローラーは通常、プログラマブルロジックコントローラーで実装されます。

も参照してください

参考文献

  1. ^ 「フィードバックおよび制御システム」-JJDi Steffano、AR Stubberud、IJWilliams。Schaumsアウトラインシリーズ、McGraw-Hill 1967
  2. ^ Kuphaldt、TonyR。「第6章ラダーロジック」電気回路のレッスン-ボリュームIV2010年9月12日にオリジナルからアーカイブされました2010年9月22日取得
  3. ^ ブレイディ、イアン。「プログラマブルロジックコントローラー-利点とアプリケーション」(PDF)PLC2014年2月2日のオリジナルからアーカイブ(PDF)2011年12月5日取得
  4. ^ 「化石燃料発電所の補助システムのエネルギー効率の良い設計」(PDF)ABB。p。262. 2014-08-05のオリジナルからアーカイブ(PDF)2014年4月7日取得

外部リンク