Регуляторы непрерывного типа или как заставить машину подстраиваться под внешние условия.

Каждый из нас в жизни сталкивался с ситуациями, в которых необходимо непрерывно управлять системой из-за постоянно меняющихся внешних факторов. Например, когда вы управляете автомобилем — необходимо постоянно крутить руль, подстраиваясь под кривизну дороги, а когда готовите пельмени — нужно регулировать мощность нагрева кастрюли, чтоб потом не чистить плиту и т.д.  Эти и многие другие процессы требуют постоянного контроля и управления. Как вы уже наверное догадались, речь в этой статье пойдёт о том как научить интеллектуальное устройство делать это вместо вас. Но обо в сём по порядку. Поехали…

Во-первых, стоит дать определение…
Регулятор непрерывного типа — это устройство, реализующее алгоритм, непрерывно преобразующий входные величины в управляющее воздействие. Непонятно? Сейчас это исправим!

Для наглядности дальнейшего изложения в качестве примера возьмём простейшую систему: представьте, что вы находитесь в доме, в котором кроме вас только комнатный термометр и электрическая печь с возможностью регулировать мощность нагрева. Температура в доме «плавает» в некоторой зависимости от уличной температуры. Ваша задача — поддерживать её равной, допустим, 25 °С.

И так, что вы будете делать для этого? Правильно! Вы будете бегать от термометра к нагревателю и обратно, на первом смотреть температуру, а на втором — крутить ручку мощности, чтобы подогнать температуру в комнате к заданному значению. Это и будет алгоритмом ваших действий, а вы будете выполнять роль регулятора. Входной величиной в данном случае являются показания термометра, а управляющим воздействием — угол поворота ручки регулятора мощности. Функцией преобразования входной величины в управляющее воздействие — будет ваше чувство меры, а качество регулирования будет зависеть от того, насколько хорошо оно у вас развито. Для оценки качества регулирования вводится понятие ошибки перерегулирования (или невязки) — это то значение, на которое отличается температура в комнате от заданной после того, как регулятор (в данном случае вы) выдал управляющее воздействие (вы покрутили ручку мощности).

Чтобы лучше закрепить введённые понятия и объяснить что же такое качество регулирования (управления) посмотрим на график изменения температуры:

Так будет выглядеть график изменения температуры за то время, пока вы будете пытаться «поймать» требуемую температуру. А вот так он будет выглядеть, если вы обладаете феноменальным чувством меры:

Так было бы, если бы вы с первого раза «угадали» на сколько нужно подкрутить ручку мощности для достижения требуемого значения температуры. На практике такое вряд ли возможно.

Как вы, наверное, догадываетесь — качество управления во втором случае значительно выше, чем в первом.

Простыми словами можно дать следующее определение:
качество регулирования(управления) — это то, насколько быстро система достигает требуемого состояния.

Но на этом дело не заканчивается… После того, как вам удалось «поймать» нужную температуру, вам нужно будет постоянно следить за термометром и как только, температура в доме начнёт меняться(например под воздействием изменения уличной температуры), вы будете вынуждены заново выполнять настройку мощности обогревателя.

Да, быть регулятором  — это тяжкий труд — ни на секунду нельзя отвлечься от выполняемой функции! Именно поэтому на эту работу обычно подряжают интеллектуальные машины. Посмотрим на типовую структурную схему системы, регулирующую температуру.

Схема регулирования

Регулятор получает значение температуры от датчика, сравнивает его с заданным значением (уставкой) и управляет питающим напряжением обогревателя.
Ну а в реальности регулятор выглядит примерно так:

           (измеритель-регулятор одноканальный ОВЕН ТРМ1)

Регуляторы с обратной связью

Еще одно базовое понятие из теории регулирования. Попробуем дать определение простым языком.

Обратная связь — способность системы управления отслеживать результаты своего регулирования, с тем чтобы учитывать ошибку управления и корректировать управляющее воздействие. В нашем примере, регулятор постоянно получает показания от датчика, узнаёт тенденцию изменения температуры и в зависимости от этого корректирует своё управляющее воздействие.

А что, бывает по-другому?  — спросите вы. Да, бывает.

Например, если бы датчик температуры  был установлен на улице, а в регулятор была бы запрограммирована таблица соответствия уличной температуры и мощности нагревателя в доме.

Тогда, регулятор выставлял бы мощность нагревателя в соответствии с этой таблицей, и он не мог бы узнать о результатах своего управления. Например, если кто-то включил бы в доме еще один нагреватель — то, температура в доме повысилась бы, а регулятор, не зная об этом и продолжал бы выдавать прежнее воздействие. Такие регуляторы используют обычно при следующих условиях:

— система является закрытой, т.е. не меняет своего состава(например, если известно, что никто не может включить еще один нагреватель, как в нашем примере, или любым другим способом повлиять на систему «изнутри»).
— достаточно точно известна зависимость между выходной величиной и управляющем воздействием(в нашем примере зависимость температуры в доме от мощности нагревателя).

Кроме того, такие регуляторы используют тогда, когда сложно оценить результаты управляющего воздействия на систему. Например, в многоквартирном доме сложно измерить температуру в каждой из квартир, поэтому теплосеть поддерживает температуру воды в трубах в зависимости от уличной температуры, не используя обратную связь.

Алгоритм работы регулятора

Различные регуляторы отличаются друг от друга принципом действия и математическими алгоритмами, с помощью которых входная величина преобразуется в управляющее воздействие. Наиболее распространённым из регуляторов непрерывного типа является ПИД-регулятор. О его алгоритме можно прочитать в нашей статье. Об алгоритмах работы других регуляторов мы обязательно расскажем в одной из следующих статей.

Заключение

В этой статье мы постарались изложить базовые принципы работы регуляторов непрерывного типа простыми словами, не используя сложных математических формул и большого количества занудной теории. Точно так же работает любая система управления непрерывного типа: от комнатного кондиционера до системы круиз-контроля в вашем автомобиле. В следующих публикациях мы расскажем о других типах регуляторов, выясним достоинства и недостатки каждого из них, рассмотрим их области применения, и научимся правильно подбирать регуляторы под каждую конкретную задачу.

Надеюсь, что было интересно! До новых встреч!