Grundlagen integrierender vs. selbstregulierender Prozesse

Ein integrativer Prozess neigt dazu, eine Ausgabe zu erzeugen, die proportional zur laufenden Summe der Eingabewerte ist haben sich im Laufe der Zeit angesammelt. Wenn der Eingang negativ wird, würde der Prozess eine proportionale Abnahme seiner Amplitude bewirken und den Ausgang senken. Bei einem Wassertank wäre der Input beispielsweise die einströmende Flüssigkeitsmenge, während der Output der Wasserstand ist, den der Tank gehalten hat. Solange der Input positiv bleibt, wird der Wasserspiegel weiter steigen, aber wenn der Input negativ wird (mehr Abfluss als Zufluss), sinkt der Output-Pegel.

Betrachten wir nun den Betrieb eines Servomotors. Die Eingangsspannung am Motor bestimmt sein Drehmoment, das dann die Last beschleunigt. Die Rotation ist kontinuierlich, solange die Eingangsspannung ungleich Null ist und die Position der Last von den akkumulierten Rotationen abhängt. Wenn die Eingangsspannung negativ wird, beginnt sich die Welle rückwärts zu drehen und die Ausgangsposition nimmt ab. Das Verhalten von Wassertank und Servomotor ist ähnlich, da beide Einheiten ihren Ausgangspegel beibehalten würden, solange der Eingang nicht negativ ist.

Alle integrierenden Prozesse verhalten sich so. Einträge werden angesammelt und an die Umgebung verteilt. Die Geschwindigkeit, mit der diese beiden Prozesse ablaufen, hängt von der gesteuerten Maschine sowie von physikalischen Faktoren wie Reibung, Widerstand und Trägheit ab. Aber sobald eine Eingabe dem System hinzugefügt wird, existiert sie, bis ein negativer Wert sie aufhebt.

Nicht integrierende Prozesse

Betrachten Sie einen undichten Wassertank. Es wird weiterhin Wasser verlieren, unabhängig von der Eingabe. Ebenso ein Servomotor die sich gegen eine Torsionsfeder dreht, verliert unabhängig vom Wert der Spannung weiterhin ihre Position. Solche Prozesse können einen Gleichgewichtspunkt erreichen, an dem Zusätze durch unvorhersehbare Verluste ausgeglichen werden können. Beispielsweise wäre es unmöglich, dass ein Tank mit mehreren Lecks einen bestimmten Füllstand überschreitet. Diese Prozesse sind nicht integrativ, akkumulieren ihre Eingaben, erreichen aber nur einen bestimmten Punkt, der ein Gleichgewicht zwischen Zufluss und Abfluss darstellt.

Es muss beachtet werden, dass es nur einige integrierende Prozesse gibt, die keine spontanen Verluste aufweisen, während einige nicht integrierende Prozesse ziemlich lange Zeitkonstanten haben, was es ihnen erschwert, den Gleichgewichtspunkt zu erreichen. Dadurch verschwimmt die Grenze zwischen den beiden.

Controller auswählen

Die Aufgabe eines Steuerungsingenieurs besteht darin, die Art des Prozesses zu identifizieren und zu welchem ​​Ende des Spektrums er gehört. Dadurch kann er eine für den Prozess geeignete Regelstrategie wählen. Die Regulierung eines nichtintegrierenden Prozesses ist einfacher, da der Gleichgewichtspunkt dem Ausgang eine natürliche Grenze auferlegt. Der Controller muss nicht den langwierigen Prozess durchlaufen, die richtige Eingabe zu finden.

Aus diesem Grund werden nicht-integrierende Prozesse manchmal als selbstregulierend bezeichnet, da sie in der Lage sind, einen stabilen Zustand zu erreichen, ohne dass der Regler eingreifen muss. Nichtsdestotrotz sind die Bemühungen eines Feedback-Controllers erforderlich, um den Input des Prozesses zu erhöhen/zu verringern, falls dies erforderlich ist.

Herkömmliche PI- und PID-Regler sind so konzipiert, dass sie sowohl mit integrierenden als auch mit selbstregulierenden Prozessen arbeiten; die Konfiguration unterscheidet sich jedoch. Die meisten Tuning-Regeln berücksichtigen diese beiden Prozesse und stellen Formeln bereit, mit denen die P-, I- und D-Parameter des Controllers berechnet werden können.

Manchmal kann sogar ein einfacher P-Regler aufgrund der ablaufenden Akkumulation die Anforderungen eines integrierenden Prozesses erfüllen. Dadurch erhält der Regler die gleichen Eigenschaften wie der Integrator in einem PI- oder PID-Regler. Wenn das Ziel des Reglers auch darin besteht, die Größe des Eingangs zu identifizieren, der erforderlich ist, um den Ausgang auf einen bestimmten Sollwert zu zwingen, ist ein P-Regler gut geeignet.

Das Gleiche gilt nicht für nicht integrierende Prozesse, da ein P-Regler aufgeben kann, bevor sich der Ausgang dem Sollwert nähert. Dies führt zu einem stationären Fehler, der selbst dann bestehen bleibt, wenn der Regler versucht, die Laststörung zu kompensieren. Diese Fehler können sich auch auf Integrationsprozesse auswirken und sind auf physikalische Parameter wie unterschiedliche Flüssigkeitsdichten zurückzuführen.

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