Hier bei Visaya haben wir viel über Steuergeräte, Steuersysteme und Regelkreise gesprochen. Nun lassen Sie uns über die Steuerungstheorie, die Prinzipien hinter all der Logik, reden. Wir haben viele Arten von Steueralgorithmen und jede besitzt eine gewisse Komplexität und erfüllt einen bestimmten Zweck. Welche Sie verwenden möchten, hängt von Ihrem System ab.

Der gängigste Steueralgorithmus ist die Proportional-Integral-Differenzial(PID)-Steuerung. Wenn Sie noch nie davon gehört haben, machen Sie sich keine Sorgen; wir besprechen es in diesem Artikel. Wenn Sie mehr erfahren möchten, finden Sie bei uns auch einen ganzen Artikel über PID-Steuergeräte.

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Aber bevor wir über die verschiedenen Steueralgorithmen reden, lassen Sie uns auf eine relevante Frage zurückkommen:

Was ist ein Steueralgorithmus?

Ein Steueralgorithmus ist eine Art von Logik, die in ein Steuergerät programmiert wird, um den Fehler zwischen einem Messwert (MV) und einem Sollpunkt (SP) zu analysieren. Diese Logik hilft dem Steuergerät, Felddaten zu bearbeiten, und entscheidet, was zu tun ist.

Nehmen Sie zum Beispiel eine Klimaanlage. Wenn Sie das Thermostat der Klimaanlage auf eine Temperatur einstellen, die Sie mögen, geben Sie Ihrem Steuergerät seinen SP vor. Die Einheit misst anschließend die Raumtemperatur mithilfe des Sensors und vergleicht sie mit dem SP, den Sie gewählt haben. Liegt die gemessene Temperatur über Ihrem SP, wird eine Fehlermeldung erzeugt.

Hier kommen die Steueralgorithmen ins Spiel. Wie sie sich anpassen wird, hängt von Ihrer Steuerlogik ab. Viele Klimaanlagen verwenden eine Logik namens Bang-Bang-Steuerung oder On-Off-Steuerung. Dieser einfache Steueralgorithmus macht nur zwei Dinge. Wenn er die Temperatur als über dem SP liegend registriert, dann schaltet er die Klimaanlage ein. Sobald die Temperatur den SP erreicht, schaltet er die Klimaanlage aus.

Allerdings können Sie die Temperatur mit Fuzzy-Logik genauer anpassen. Auf diese Weise würde die Klimaanlage ihre Energie abhängig davon, wie nah sie an den SP kommt, anpassen. Die PID-Steuerung bietet Ihnen eine noch präzisere Anpassungsmöglichkeit. Nun lassen Sie uns untersuchen, wie jeder dieser Steueralgorithmen funktioniert.

Bang-Bang-Steuerung

Bang-Bang-Steuerung, der einfachste Steueralgorithmus, ist auch unter anderen Namen wie On-Off, Hysterese oder Two-Step bekannt. Aber sie alle beziehen sich auf die gleiche Art von Steuerlogik.

Dieses Steuerungssystem schaltet eine Einheit ein oder aus, um Ihren MV näher an Ihren SP zu bringen. Um auf die Klimaanlage zurückzukommen, das Steuergerät vergleicht die Raumtemperatur mit Ihrem Sollpunkt und wendet die Wahr/Falsch-Logik an. Wenn die Temperatur über Ihren SP hinaus ansteigt, dann wird der Ausgang als wahr gelesen und die Klimaanlage eingeschaltet. Wird der Ausgang als falsch gelesen, wird die Klimaanlage ausgeschaltet. Ganz einfach.

Dies kann je nach Anwendung mechanisch oder elektronisch erfolgen. Diese Logik finden Sie in den häuslichen Anwendungen und einfachen industriellen Prozessen, weil sie einfach einzurichten und preiswert ist. Allerdings erhalten Sie keine hohe Genauigkeit oder schnelle Reaktionen mit diesem Typ.

Fuzzy-Logik

Im Gegensatz zu On-Off-Logik kann Fuzzy-Logik mehr als zwei Ausgangzustände haben. Diese Logik kann eine Messung als teilweise wahr oder teilweise falsch lesen. Und wie? Nun, wenn wir an Boolesche Ausdrücke denken, dann haben wir eins als einen wahren Wert und Null als einen falschen Wert. Bei Fuzzy-Logik kann eine Messung irgendwo zwischen null und eins fallen.

Okay, lassen Sie uns ein echtes Beispiel nehmen, um es einfacher zu verstehen. Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Kessel, um Wasser von 18 bis 100 Grad Celsius zu erhitzen. Wenn wir ein Bang-Bang-Steuergerät verwenden, dann könnte das Wasser nur zwei Zustände haben, kalt (falsch) oder heiß (wahr). Wasser lässt sich jedoch nicht einfach von kalt zu heiß umschalten. Während dieses Übergangs wird es nämlich auch warm.

Setzen wir unsere Werte als null für kaltes Wasser und eins für heißes Wasser. Bei Fuzzy-Logik würde das Wasser bei 18 Grad einen Wert von 0,18, teilweise kalt, haben. Da das Wasser wärmer und wärmer wird, beginnt sich der Wert Ihres Ausgangs zu erhöhen. Mit dieser Logik könnten Sie auch die Leistung Ihres Kessels kontrollieren. Anstatt ihn mit voller Leistung zu halten, bis das Wasser 100 Grad erreicht, können Sie die Leistung reduzieren, wenn Ihr Ausgang sich Ihrem SP nähert.

PID-Steuerung

Schließlich kommen wir zu den leistungsfähigsten der Steueralgorithmen in diesem Artikel. Hier haben wir einen Überblick. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, lesen Sie unseren Artikel über das PID-Steuergerät.

Wenn Sie sich mit Automatisierung befasst haben, dann mussten Sie sich wahrscheinlich auch mit PID-Steuerung befassen. Für diejenigen, die es vergessen haben, PID steht für Proportional-Integral-Differenzial. Der Name wird aus den drei Elementen gebildet, aus denen dieser Steueralgorithmus besteht.

Jedes Element beeinflusst die Prozessantwort auf Fehler auf eine bestimmte Art und Weise. Ein guter Weg, um zu verstehen, wie es funktioniert, ist, die Elemente in Gegenwart, Vergangenheit und Zukunft zu spalten. Also lassen Sie uns prüfen, wie jedes Element auf Fehler in Ihrem Prozess reagiert.

Proportional – die Gegenwart

Der Proportional-Begriff in einem PID-Steuergerät repräsentiert den aktuellen Fehler. Ein Proportional-Steueralgorithmus multipliziert den aktuellen Fehler für eine bestimmte Konstante (Kp).

Sagen wir, Sie haben ein ferngesteuertes Auto und möchten, dass es von Punkt A nach Punkt B, 100 Meter entfernt, fährt. Unter Punkt A haben Sie technisch gesehen einen Fehler von 100 Metern. Wir nennen die Geschwindigkeit Ihres Spielzeugautos Ausgang. Wenn Sie eine Kp von 0,1 haben, würde Ihre Geschwindigkeit bei 10 Meter pro Sekunde (m/s) beginnen. Wenn das Auto näher an die Ziellinie kommt, nehmen der Fehler und die Geschwindigkeit ab. Bei 25 Metern würde die Geschwindigkeit des Spielzeugautos mit der Proportional-Steuerung 7,5 m/s betragen. Bei der 50-Meter-Marke beträgt sie 5 m/s. Wenn es Punkt B erreicht, erreichen der Fehler Ihres Systems und die Geschwindigkeit des Autos null.

Integral – Vergangenheit

Der Integral-Begriff eines PID-Steuergeräts beschäftigt sich mit Fehlern der Vergangenheit. Holen wir unser Spielzeugauto wieder dazu. Bei einer ausschließlich proportionalen Steuerung wird Ihr Auto langsamer, je näher es an die Zielgerade kommt. Je näher es kommt, desto langsamer wird es. Dieser kleine Fehler, genannt Regelabweichung braucht eine längere Zeit, um zu verschwinden.

Das Integral-Element im PID-Steueralgorithmus beseitigt diese Regelabweichung. Es läuft auf einem kurzen Zyklus, registriert diesen kleinen Fehler in jedem Zyklus und fügt es zu den Fehlern der vorhergehenden Zyklen hinzu. Das Hinzufügen dieser Fehler in die Proportionalgleichung macht den Gesamtfehler größer als im gegenwärtigen Moment und hilft dem System, ihn schneller zu beseitigen.

Differenzial – die Zukunft

Der Differenzial-Begriff ist der Wahrsager. Er sagt die Zukunft voraus und passt die Gegenwart entsprechend an. Klingt nach Superkräften, oder? Nein, nur Mathe.

Der Differenzial-Begriff prognostiziert Ausgänge in der Zukunft, basierend auf der Veränderungsrate für den aktuellen Fehler. Je nachdem, wie Sie Ihr System eingestellt haben, können Sie in einem P- oder PI-Steuergerät über Ihren Sollpunkt hinausgehen und einen negativen Fehler erzeugen, der zur Anpassung zurück an Ihren SP führt. In der Regeltheorie nennen wir dies Überschießung. Aber mit der Superkraft, die Zukunft zu sehen, kann der Differenzial-Begriff vorhersagen, dass das System überschießen wird, bevor es passiert, und Ihren Ausgang anpassen, um es zu vermeiden.

Beachten Sie, dass Sie ein nur proportionales (P), Proportional-Integral (PI), Proportional-Differenzial (PD) oder das komplette PID-Steuergerät haben können. Jedes Element dieser Steuermethode beeinflusst bestimmte Eigenschaften der Antwort, die Sie erhalten.

Schlussfolgerung

Sie können eine oder mehrere Arten von Steueralgorithmen für Ihren Prozess auswählen. Ihre Auswahl hängt von Ihrem System und seiner Komplexität ab. Mehr als eine Art von Steueralgorithmus könnte Ihren Bedürfnissen entsprechen, deshalb sollten Sie die jeweiligen Vor- und Nachteile vor Ihrer Entscheidung prüfen.

In diesem Artikel besprachen wir, was ein Steueralgorithmus ist sowie einige der gängigsten Typen. Es stehen weitere Steuerungsalgorithmen zur Auswahl wie zum Beispiel neuronale Netzleitsysteme. In der Industrie werden allerdings immer noch am häufigsten PID-Steuerungen verwendet.

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