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集成与自我调节过程的基础

本质上是集成的过程往往会产生与输入值的总和成正比的输出已经随着时间的推移而积累。如果输入变为负值,则该过程将导致其幅度成比例减小,从而降低输出。例如,对于水箱,输入是流入的液体量,而输出是水箱保持的水位。只要输入保持正值,水位就会继续上升,但当输入变为负值(流出多于流入)时,输出水位就会下降。

现在让我们考虑伺服电机的操作。电机两端的输入电压决定了它的扭矩,然后加速负载。只要输入电压不为零并且负载的位置取决于累积的旋转,旋转就是连续的。如果输入电压变为负值,轴开始向后转动,输出位置减小。水箱和伺服电机的行为相似,只要输入为非负值,两个实体都会保持其输出水平。

所有集成过程都以这种方式运行。输入被累积并分散到周围环境中。这两个过程发生的速度取决于被控制的机器以及摩擦、阻力和惯性等物理因素。但是一旦一个输入被添加到系统中,它就会一直存在,直到一个负值取消它。

非集成流程

考虑一个漏水的水箱。无论输入是什么,它都会继续失水。同样,伺服电机 无论电压值是多少,逆着扭簧旋转的都会继续失去位置。这样的过程可以达到一个平衡点,其中的增加可以被不可预测的损失所抵消。例如,一个有多个泄漏点的储罐不可能有超过某个点的输出水平。这些过程是非综合的,积累了它们的输入,但只达到流入和流出之间的平衡点。

需要注意的是,只有一些积分过程不具有自发损耗,而一些非积分过程的时间常数较长,难以达到平衡点。这模糊了两者之间的界限。

选择控制器

控制工程师的工作是确定过程的性质以及它属于频谱的哪一端。这允许他/她选择适合该过程的控制策略。由于平衡点对输出施加了自然限制,因此调节非集成过程更容易。控制器不必经历寻找正确输入的繁琐过程。

正是由于这个原因,非集成过程有时被称为自我调节,因为它们能够在不需要控制器干预的情况下实现稳定状态。尽管如此,如果需要,仍然需要反馈控制器来增加/减少过程的输入。

传统的 PI 和 PID 控制器 旨在与集成和自我调节过程一起工作;然而,配置确实不同。大多数调整规则都考虑了这两个过程,提供了可以计算控制器的 P、I 和 D 参数的公式。

有时,由于不断积累,即使是简单的 P 控制器也可以满足积分过程的要求。这使控制器具有与 PI 或 PID 控制器中的积分器相同的特性。此外,如果控制器的目标是确定强制输出匹配特定设定点所需的输入幅度,那么 P 控制器非常适合。

对于非集成过程则不能这样说,因为 P 控制器可能会在输出接近设定值之前放弃。这将导致稳态误差,即使控制器试图补偿负载干扰,该误差也会保持不变。这些误差也会影响积分过程,并且是由于流体密度变化等物理参数造成的。


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