KURZUS: Számítógépes folyamatirányítás

MODUL: A feladat

A szabályozási kör

| Cél: A lecke célja, hogy a tananyag felhasználója megismerje
a szabályozási kör elemeit: a szabályozott és a szabályozó rendszert; a szabályozott jellemző és az alapérték - mint valóság és vágy - viszonyát; a szabályozási körben terjedő jeleket és azok funkcióit; a szabályozó rendszer szerveinek funkcióit; és érzékelje a szabályozási kör negatív visszacsatoláson alapuló működését; a szabályozási körök fajtáit.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha
le tudja rajzolni a szabályozási kör működési vázlatát a jelek és a szervek feltüntetésével; meg tudja fogalmazni a szabályozási kör működésének célját, a szabályozott jellemző és az alapérték viszonyát; példán keresztül is meg tudja fogalmazni az egyes szervek és jelek funkcióját; be tudja mutatni a szabályozási kör működését, (példán keresztül érzékeltetni tudja a működés dinamikáját); fel tudja sorolni a szabályozási körök osztályozásának főbb szempontjait és az e szempontok szerinti változatokat.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 120 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak
szabályozási kör, szabályozott jellemző, alapérték, hiba, módosított jellemző, szerv (és az egyes szervek külön-külön), az egyes jelek külön-külön, működési mód, értéktartó szabályozás, követő szabályozás.
1. Felépítés és működés
Figyelmesen tanulmányozza a szabályozási rendszer felépítését és működését, és jegyezze meg a kulcsfogalmakhoz tartozó definíciókat!
Az alábbiakban részletesebb kvalitatív elemzéssel közelebbről is megvizsgáljuk a szabályozási rendszer működését.
A technológiai folyamatok szabályozása az un. szabályozási körben valósul meg. (Az elnevezés arra utal, hogy az információ zárt hurokban áramlik.) A szabályozási kör (1. ábra) a szabályozott és a szabályozó rendszer összekapcsolt együttese. A két rész kapcsolatát jeláramlás biztosítja.
A szabályozási kör
1. ábra
A szabályozott rendszer a technológiai célt, működést megvalósító berendezések, objektumok összessége, amely a szabályozó rendszerrel szemben elsődleges és eleve adott. Ezért a szabályozó rendszert úgy kell megtervezni, hogy az illeszkedjék a meglévő technológiai folyamathoz.
A szabályozó rendszer több szerkezetileg és funkcionálisan különböző szervből épül fel. Ezek közül az érzékelő, a különbségképző és a beavatkozó szerv alapvető fontosságú és minden szabályozási körben nélkülözhetetlen, hiszen ezek az irányítás három aktusát realizálják. A többi szerv (a szabályozó, vagy más néven: jelformáló, valamint a végrehajtó szerv) bár gyakorlatilag fontos, elvileg csak másodlagos funkciót lát el, így esetenként (a jelformáló csak igen ritkán) nélkülözhető.
A szabályozásnak - mint minden irányításnak - az a célja, hogy a folyamat kívánt állapotát előidézze, illetve fenntartsa. A folyamat állapota gyakran - de nem mindig!- kielégítően jellemezhető egyetlen fizikai mennyiség, egyetlen állapotjelző aktuális értékével, így a kívánt állapot is jellemezhető ugyanennek a fizikai mennyiségnek egy adott értékével. A folyamat állapotának e leglényegesebb, a végtermék minősége szempontjából alapvető jellemzőjét szabályozott jellemzőnek, e mennyiség előírt, kívánt értékét pedig alapértéknek nevezzük. Új fogalmainkkal a szabályozás lényegét a következőképpen határozhatjuk meg:
A szabályozás célja az, hogy a szabályozott jellemző a zavaró hatások ellenére az alapértéken stabilizálódjék, vagy minél jobban, alakhűen kövesse az alapérték szándékolt, üzemszerű változásait.
A mondottakban implicite az is bennfoglaltatik, hogy a szabályozott jellemző következmény, tehát kimenőjel (a szabályozott rendszer kimenőjele). Felmerül a kérdés: mik a szabályozott rendszer bemenőjelei. Nos, nyilván az okok, vagyis azok a mennyiségek, amelyek a szabályozott jellemző értékét befolyásolják. A befolyásolásnak a technológiai folyamat szempontjából két módja lehet. Egyrészt nem kívánatos, káros hatás, másrészt a cél irányában ható szándékos befolyás. A szabályozott jellemző általában mindig több változó függvénye. Ezek közül mindig kiválaszthatunk (és ki is kell választanunk) egyet, melynek változtatását a szabályozó rendszer hatáskörébe utaljuk, amellyel tehát a szabályozó rendszer a kívánt irányban és mértékben változtatja a szabályozott jellemzőt. E változót módosított jellemzőnek nevezzük, ez az, amely által létrejön a beavatkozás. A szabályozott jellemzőt befolyásoló többi változó egyike sem áll a szabályozó rendszer felügyelete alatt, azok értékét és változását a környezet determinálja. E mennyiségek változása a szabályozott jellemző nem kívánatos megváltozását eredményezi, ezért ezeket zavarójellemzőknek nevezzük.
A szabályozott jellemzőre ható változók (jelek) közül lényegében önkényesen választhatjuk ki azt, amelynek a módosított jellemző szerepét szánjuk. A kiválasztásnál azonban két szempontot feltétlenül figyelembe kell vennünk. Egyrészt, módosított jellemző csak olyan mennyiség lehet, amelyet a szabályozó rendszer képes változtatni (pl. egy szoba hőmérsékletének szabályozásakor nem lehet módosított jellemző a külső hőmérséklet); másrészt, célszerű olyan mennyiséget választani, melynek változására a szabályozott jellemző eléggé érzékeny (amely tehát hatékony beavatkozást biztosít). A módosított jellemző kiválasztása után az összes többi olyan változó, amely a szabályozott jellemzőre hat, zavarójellemzővé válik.
A szabályozott rendszerre tehát bemenőjelként hat az xm módosított jellemző, valamint az xzi zavarójellemzők. A rendszer kimenőjele az xs szabályozott jellemző. Ennek pillanatnyi értékét (tényállapot) az érzékelő szerv érzékeli és az aktuális értékre jellemző információt - esetleg más fizikai hordozóra ültetve - eljuttatja a különbségképző szervhez. Az érzékelő szervvel szemben támasztott alapvető követelmény, hogy kimenőjele - az xe ellenőrző jel - arányos legyen a szabályozott jellemzővel és hűen kövesse annak változásait. A különbségképző szerv feladata az alapjel (xa) és az ellenőrző jel összehasonlítása, és a két jel különbségének továbbítása. Az alapjel az alapértékkel arányos, és lehet időben állandó vagy változó. Az alapjel a szabályozási körre kívülről ható jel (a szabályozási kör bemenőjele), amely külső referencia-jelforrásból származik. A különbségképzés feltétele az alapjel és az ellenőrző jel összehasonlíthatósága. Ez csak akkor teljesül, ha mindkét jelet azonos fizikai mennyiség képviseli.
Az alapjel és az ellenőrző jel különbsége a rendelkező jel (xr), amely arányos az alapérték és a szabályozott jellemző különbségével, és így a köztük fennálló eltérés (hiba) irányára és mértékére jellemző. A rendelkező jel a szabályozó szerv bemenőjele. A szabályozó szerv feladata a rendelkező jel erősítése, illetve bizonyos - a zárt kör dinamikai tulajdonságait módosító - jelformáló funkciók ellátása. A szabályozó szerv kimenőjele a végrehajtójel (xv), amely, ha elegendő teljesítményű és alkalmas jelhordozójú, közvetlenül működtetheti a beavatkozó szervet. Ha nem, akkor a végrehajtójel a végrehajtó szervre kerül, amely felerősíti, vagy más, alkalmas jelhordozóra ülteti. A végrehajtó szerv kimenőjele a beavatkozó szervet közvetlenül működtető beavatkozó jel (xb). A beavatkozó szerv létrehozza a módosított jellemző megfelelő értékét, az pedig közvetlenül befolyásolja a szabályozott jellemzőt. Ezzel elérkeztünk kiindulási helyünkre és bezárult a szabályozási hurok.
Újra leírjuk, mert rendkívül fontos:
A szabályozási körök általános strukturális jellegzetessége a szabályozott jellemző negatív visszacsatolása. Ez eredményezi azt, hogy a szabályozott jellemző bárminemű, bármilyen okból eredő, bármilyen irányú megváltozása olyan folyamatot indít meg, amely e változás ellen hat, azt csökkenteni, illetve visszafordítani igyekszik.
Leheljen életet a szabályozási kört bemutató 1. ábrába! Kövesse nyomon a hurok működését, ha gondolatban megváltoztatja a szabályozott jellemző értékét! Meggyőződhet róla, hogy az visszaállni igyekszik. Ugyanúgy meggyőződhet arról is, hogy ha az alapjelet változtatja meg, akkor ez húzza magával a szabályozott jellemzőt. (Figyelje mindkét esetben a hibával arányos rendelkező jel előjelét!) E gondolatkísérletek elvégzésével megtapasztalhatja, hogy a szabályozás értéktartásra és jelkövetésre egyaránt alkalmas. Amíg ezt a dinamikát a zsigereiben nem érzi, nem értheti igazán a negatív visszacsatolás - és így a szabályozás - lényegét.
A teljesség kedvéért lerajzoltuk még a vezérlési folyamat általános működési vázlatát is (2. ábra).
A vezérlési folyamat általános működési vázlata
2. ábra
Úgy véljük, a korábban mondottak fényében a működés nyilvánvaló, így megjegyzést nem fűzünk hozzá.
Vázlatfüzetébe rajzolja le a vezérlési folyamat ábráját, és fogalmazza meg a működését!
2. A szabályozások fajtái
Noha a szabályozási körök működésének általános elvi jellemzői minden esetben azonosak, a felépítés és a működés konkrét formái többfélék lehetnek. Az alábbiakban a teljesség igénye nélkül, néhány alapvető szempont szerint csoportosítjuk a szabályozásokat.
A) Működési mód (a szabályozási körben terjedő jelek időbeli lefolyása és értékkészlete) szerint az alábbi típusokat különböztetjük meg:
A folytonos-folyamatos (klasszikus analóg) szabályozás estén a szabályozási kör összes jele folytonos értékkészletű és minden pillanatban fennáll. A szakaszos-folyamatos szabályozásokat szokás állásos szabályozásoknak is nevezni, utalva arra, hogy a szabályozási kör bizonyos jelei csak diszkrét értékeket vehetnek fel. A folytonos-szaggatott szabályozásoknál egyes jelek csak diszkrét időpontokban vagy rövid időintervallumokban léteznek. Az ilyen működést mintavételes működésnek is nevezik. Szakaszos-szaggatott működésről beszélünk, ha a szabályozási kör egyes jeleinek nem csak az értelmezési tartománya, hanem az értékkészlete is diszkrét halmaz. A digitális számítógépekkel megvalósított szabályozások mind ilyenek, mert a számítógép egyrészt periodikus időpontokban vett jelmintákkal dolgozik, másrészt e jelmintákat a gép - véges szóhosszúsága következtében - csak diszkrét számértékek véges halmazára tudja leképezni.
B) Az alapjel időbeli lefolyása szerint megkülönböztetünk értéktartó és követő (szervo) szabályozásokat. Az első esetben az alapjel időben állandó, a másodikban pedig változó. A követő szabályozások alapjele változhat valamilyen előre meghatározott program szerint, de változhat egy külső jel (vezetőjel) hatására is.
C) A szabályozott jellemzők száma szerint a szabályozás lehet egyváltozós vagy többváltozós. Az egyváltozós szabályozásnak egy szabályozott jellemzője és egy - azt befolyásoló - módosított jellemzője van; a többváltozósnak mindkettőből több, de azonos számú. Többváltozós szabályozásra akkor van szükség, ha a technológiai folyamat állapota nem jellemezhető kielégítően egyetlen állapotjelző mennyiséggel, vagyis, ha egyidejűleg több mennyiséget kell állandó értéken tartani, vagy előírt módon változtatni. Egy többváltozós szabályozást autonómnak (függetlennek) nevezünk akkor, ha minden módosított jellemző kizárólag a hozzá rendelt szabályozott jellemzőre hat. Ha ez nem teljesül, a szabályozást kapcsoltnak mondjuk. A kapcsolt szabályozásoknál minden olyan módosított jellemző, amely több szabályozott jellemzőt befolyásol, a sajátján kívül az összes többire nem kívánatos hatást gyakorol, így azok szempontjából zavarójellemzőként viselkedik. A többváltozós szabályozások megvalósítása során az elsődleges feladat a szabályozott folyamat un. szétcsatolása, vagyis az említett káros, parazita jelkapcsolatok megszüntetése (ha ez egyáltalán lehetséges).
Lépjen ki a tananyagból! Gondolja át a lecke tartalmát, rekonstruálja a szerkezetét! Vegyen elő egy lapot és írja le a lecke vázlatát! Ne sajnálja az erre fordított időt! Ha gondosan megcsinálja, már majdnem tudja is az anyagot.

| Önellenőrző kérdések
1. Rajzolja fel "fordítva" a szabályozási kör működési vázlatát: úgy, hogy a technológiai folyamat doboza az ábra bal oldalára kerüljön! Ne emlékezetből rajzoljon, hanem a hatások átgondolásával!
2. Egészítse ki az alábbi, a szabályozás céljának meghatározását a megfelelő kifejezésekkel! A szabályozás célja az, hogy a a zavaró hatások ellenére az , vagy minél jobban, alakhűen kövesse az szándékolt, üzemszerű változásait.
3. Rendelje a szabályozási kör ábrája alapján a számokhoz a megfelelő szerveket! beavatkozó szerv érzékelő szerv jelformáló szerv különbségképző szerv végrehajtó szerv)
4. Rendelje a szabályozási kör ábrája alapján a számokhoz a megfelelő jeleket! alapjel beavatkozó jel ellenőrző jel módosított jellemző rendelkező jel szabályozott jellemző végrehajtójel
5. Válassza ki a helyes állítást!
| A rendelkező jel és a hibajel mindig azonos.
| A rendelkező jel és a hibajel lehet azonos.
| A rendelkező jel és a hibajel soha sem azonos.
6. Jelölje meg, hogy az alábbi összetett állításnak melyik válasz felel meg!
A: Mindkét tagmondat önmagában igaz, továbbá ok és okozati összefüggés van köztük. B: Mindkét tagmondat igaz önmagában, de ok és okozati összefüggés nincs köztük. C: Az első tagmondat igaz, a második hamis. D: Az első tagmondat hamis, a második igaz. E: Mindkét tagmondat önmagában is hamis.
A szabályozási körök általános strukturális jellegzetessége a szabályozott jellemző negatív visszacsatolása. Ez eredményezi azt, hogy a szabályozott jellemző bármilyen irányú megváltozása olyan folyamatot indít meg, amely e változást felerősíti. |
A | B | C | D | E
7. Rendelje a működési módokat a megfelelő jellemzőkhöz!
A szabályozási kör egyes jeleinek nem csak az értelmezési tartománya, hanem az értékkészlete is diszkrét halmaz.
| Folytonos-folyamatos
| Szakaszos-folyamatos
| Folytonos-szaggatott
| Szakaszos-szaggatott
A szabályozási kör bizonyos jelei csak diszkrét értékeket vehetnek fel.
| Folytonos-folyamatos
| Szakaszos-folyamatos
| Folytonos-szaggatott
| Szakaszos-szaggatott
A szabályozási kör összes jele folytonos értékkészletű és minden pillanatban fennáll.
| Folytonos-folyamatos
| Szakaszos-folyamatos
| Folytonos-szaggatott
| Szakaszos-szaggatott
Az ilyen működést mintavételes működésnek is nevezik.
| Folytonos-folyamatos
| Szakaszos-folyamatos
| Folytonos-szaggatott
| Szakaszos-szaggatott
8. Jelölje meg az alábbi állítások közül, a helyes állításokat!
| A szabályozott jellemző pillanatnyi értékét az érzékelő szerv érzékeli és az aktuális értékre jellemző információt eljuttatja a beavatkozó szervhez.
| A rendelkező jel a szabályozó szerv bemenőjele.
| A beavatkozó szerv létrehozza a módosított jellemző megfelelő értékét, az pedig közvetlenül befolyásolja a szabályozott jellemzőt.
| A végrehajtó szerv kimenőjele a különbségképző szervet közvetlenül működtető beavatkozó jel.
| Az értéktartó és a követő szabályozásoknál az alapjel mindig állandó.
| Az egyváltozós szabályozásnak egy szabályozott jellemzője és egy - azt befolyásoló - módosított jellemzője van.
| Egy többváltozós szabályozást függetlennek nevezünk akkor, ha minden módosított jellemző kizárólag a hozzá rendelt szabályozott jellemzőre hat, ha nem, akkor kapcsoltnak mondjuk.