Concepte ale controlului automat in sistemele de control timp real - controlul operational

O categorie importanta de sisteme timp real o reprezinta sistemele de control ale proceselor industriale. Acestea se disting in principiu prin complexitate, data in primul rind de necesitatea interactiunii cu un numar foarte mare si variat de dispozitive externe, pe care acestea le monitorizeaza si controleza. Avantajele utilizarii unui sistem de calcul in controlul proceselor rezulta din urmatoarele:

Ø      repetabilitatea - proprietatea sistemelor de calcul de a conduce la aceleasi rezultate in conditiile acelorasi semnale numerice de intrare si al aceluiasi algoritm

Ø      reprogramabilitatea - capacitatea de a putea modifica algoritmul de prelucrare prin reprogramare, fara a modifica structura sistemului de calcul

Ø      adaptabilitatea - posibilitatea de modificare a functiei de transfer corespunzatoare unui algoritm de calcul functie de caracteristicile semnalelor de intrare sau de mediu

Ø      sensibilitate redusa la perturbatii si stabilitatea - rezulta din structura discreta a semnalelor numerice, cu diferenta mare intre valorile de tensiune corespunzatoare celor doua niveluri logice ale variabilelor binare.

5.2. CONTROLUL OPERATIONAL

Controlul secvential implica implementarea secventei de actiuni care trebuie executata in scopul realizarii unui anumit produs sau proces. In acest sens, este posibil sa apara necesitatea executarii in paralel a anumitor secvente, in scopul eficientizarii procesului. Initializarea secventei poate fi executata automat, de catre calculator (controlul supervizor), sau poata fi lasata in seama unui operator uman. Avantajul controlului complet automat fata de utilizarea unui operator conduce la o flexibilitate mai redusa in luarea anumitelor decizii; din acest motiv, de obicei se utilizeaza o combinatie intre acestea: calculatorul este programat sa realizeze operatiile si calculele necesare si sa prezinte deciziile (sau o lista de posibilitati) pentru confirmare unui operator uman.

Sistemele care implica controlul secvential pot varia de la dimensiuni foarte reduse (ex. o masina de spalat automata) la sisteme foarte complexe (pornirea unei turbine in cadrul unei centrale electrice). Totusi, in multe sisteme de control timp real, controlul secvential este combinat cu asa numitul control in bucla: acesta implica mentinerea unei anumite marimi din cadrul sistemului la o valoare prestabilita sau urmarirea unui anumit profil prestabilit. (de exemplu, mentinerea unei temperaturi constante, sau variatia acesteia dupa o anumita functie).

Principiul unui astfel de control in bucla (inchisa) poate fi sintetizat prin Figura 5.2. Aceasta este o reprezentare generala, sistemul se presupune ca implica mai multe bucle de reglare toate tratate in cadrul aceluiasi calculator. O consecinta a includerii calculatorului in bucla de control este aceea ca acesta formeaza o componenta critica din punctul de vedere al fiabilitatii sistemului; din acest motiv trebuie sa se asigure faptul ca sistemul va ramine intr-o stare sigura (safe) in cazul defectarii acestuia.

Maniera obisnuita utilizata pentru a asigura acest lucru este aceea de a realiza schimbarile transmise catre elementele de executie (actuatori) intr-o maniera incrementala.

Figura 5.2: Principiul controlului in bucla inchisa

Structura detaliata a unei singure bucle de reglare este urmatoarea:

Fig. 5.3 : Structura buclei de reglare

Marimile utilizate in cadrul acesteia sunt urmatoarele:

SP = set-point-ul = valoarea dorita, prestabilita, pentru marimea controlata

VA = valoarea actuala a marimii controlate

E = eroarea

Diferenta dintre SP si valoarea actuala VA este utilizata ca valoarea de intrare pentru un algoritm de reglare. Pe baza acesteia, iesirea algoritmului transmite un semnal corespunzator unui element de executie. Exista mai multe categorii de algoritmi utilizati in procesul de reglare; algoritmii mai performanti sunt de obicei mai complecsi si deci, mai lenti; din acest motiv majoritatea aplicatiilor de control timp real se bazeaza pe binecunoscutul algoritm de tip PID, cu diversele variante ale sale.

Algoritmul PID are la baza urmatoarea ecuatie matematica:

termen termen termen

proportional integral derivativ

Ecuatia este formata din 3 termeni, asa numiti proportional, integral si derivativ. In cazul in care unul sau mai multi din acesti termeni lipsesc, avem de-a face cu regulatoare de tip P (proportional), PI (proportional-integral) , etc.

Figura 5.4: Iesirea obtinuta de la un regulator de tip P

Un regulator de tip proportional (P) reactioneaza foarte rapid la o eroare e, insa nu poate elimina complet eroarea, tot timpul raminind o deviatie care face ca sistemul sa fie oscilant (Figura 5.4).

Utilizarea termenului de integrare poate elimina complet deviatie (regulator PI) si reprezinta o alternativa foarte buna daca nu exista variatii bruste ale marimii controlate (Figura 5.5).

Figura 5.5: Iesirea obtinuta de la un regulator de tip PI

Termenul derivativ este util in cazul in care apar schimbari rapide a a variabilei controlate: in acest caz componenta derivativa are un efect foarte puternic de atenuare asupra iesirii, pentru o perioada finita de timp.

In concluzie, raspunsul unui regulator pe baza controlului PID este deci dependent de cele trei constante caracteristice : K_p, K_i = 1/T_i si respectiv T_d. Aceste trei constante trebuie sa fie modificabile intr-un sistem timp real pentru a obtine o iesire cit mai buna (ideala, mai putin oscilanta, stabilizata cit mai rapid). Procesul de ajustare a acestor constante se poate simula in prealabil, pentru a determina valorile optime. Acesta operatie se numeste acordarea regulatorului (tuning). Un sistem timp real poate contine multe bucle de reglare, legate intre ele in cascada (mai putin) sau de sine statatoare.