Kontrol döngüleri ve dinamikler

Bir kontrol sisteminin her bir bileşeninin açıklaması; vanalar, aktüatörler, sensörler ve kontrolörler dahil; ayrıca kontrol yöntemleri ve sistem dinamikleri hakkında bir giriş, basit kontrol döngüleri ve geri besleme sistemleri dahil.

Kontrol Döngüleri Nedir?

Bu Modül, vanadan, aktüatörden, sensörden, kontrolörden ve prosesin kendisinin dinamiklerinden oluşan eksiksiz kontrol sistemleri hakkındaki tartışmaya giriş niteliğindedir. Kontrol döngüleri

Açık döngü kontrol sistemi

Açık döngü kontrol, kontrollü koşuldan doğrudan geri besleme olmadığı anlamına gelir; başka bir deyişle, düzeltici eylemin gerekli olduğunu kontrolöre bildirmek için kontrol altındaki prosesten veya sistemden geri bilgi gönderilmez. Şekil 5.3.1’de gösterilen ısıtma sistemi, ısıtılan odanın dışındaki bir sensör kullanarak bunu göstermektedir. Şekil 5.3.1’de gösterilen sistem, pratik bir ısıtma kontrol sistemi örneği değildir; açık döngü kontrol ilkesini tasvir etmek için kullanılmaktadır.

Sistem, ortam hava sıcaklığını algılayan bir dış sensöre sahip oransal bir kontrolörden oluşur. Kontrolör, ortam sıcaklığı -1°C’de vananın tamamen açık ve 19°C’de tamamen kapalı olduğu oldukça geniş bir oransal banda ayarlanmış olabilir. Ortam sıcaklığı binadaki ısı kaybını etkileyeceğinden, oda sıcaklığının kontrol altına alınması umulmaktadır.

Ancak, oda sıcaklığı ve diğer faktörlerden kaynaklanan ısınma hakkında geri besleme yoktur. Ilık havalarda, su akışı kontrol ediliyor olsa da, yüksek güneş kazancı gibi diğer faktörler odanın aşırı ısınmasına neden olabilir. Başka bir deyişle, açık kontrol yalnızca uygulamanın kaba bir kontrolünü sağlama eğilimindedir. Şekil 5.3.2, iki sensörlü biraz daha gelişmiş bir kontrol sistemini göstermektedir.

Sistem, aktüatörlü, kontrolörlü ve dış hava sensörlü, artı su hattında sıcaklık sensörlü üç portlu bir karıştırma vanası kullanır.

Dış sıcaklık sensörü, kontrolöre uzak bir ayar noktası girişi sağlar; bu, su sıcaklığı ayar noktasını ofsetlemek için kullanılır. Bu şekilde, kapalı döngü kontrolü radyatörlerden akan su sıcaklığına uygulanır. Dışarıda soğuk olduğunda, su radyatörden maksimum sıcaklıkta akar. Dış sıcaklık yükseldikçe, kontrolör radyatörlerden akan suyun sıcaklığını otomatik olarak düşürür. Ancak bu, oda sıcaklığı açısından hala açık döngü kontrolüdür, çünkü ısıtılan binadan veya mekandan geri besleme yoktur. Radyatörler aşırı boyutlandırılmışsa veya tasarım hataları oluşmuşsa, aşırı ısınma yine de meydana gelecektir.

Kapalı döngü kontrol

Oldukça basit bir şekilde, kapalı döngü kontrol geri besleme gerektirir; prosesten veya sistemden doğrudan gönderilen bilgi. Şekil 5.3.3’te gösterilen basit ısıtma sistemini kullanarak, iç mekan sıcaklık sensörü eklenmesi oda sıcaklığını algılayacak ve odaya ilişkin kapalı döngü kontrol sağlayacaktır. Şekil 5.3.3’te, vana ve aktüatör, odadaki bir mekan sıcaklık sensörü aracılığıyla kontrol edilir ve gerçek oda sıcaklığından geri besleme sağlar.

Bozucu etkiler

Bozucu etkiler, kontrollü ortamın değerini bozmak için prosese veya sisteme giren faktörlerdir. Bu bozucu etkiler, yüklerdeki değişikliklerden veya dış etkilerden kaynaklanabilir. Örneğin; basit bir ısıtma sisteminde, bir oda aniden insanlarla dolarsa, bu bir bozucu etki oluşturacaktır, çünkü odanın sıcaklığını ve istenen mekan sıcaklığını korumak için gereken ısı miktarını etkileyecektir.

Geri besleme kontrolü

Bu başka bir kapalı döngü kontrol türüdür. Geri besleme kontrolü, bozucu etkileri hesaba katar ve düzeltici eylem alınmasına izin vermek için bu bilgiyi kontrolöre geri besler. Örneğin, odaya çok sayıda insan girerse, mekan sıcaklığı artacak ve bu da kontrol sisteminin odaya sağlanan ısı girdisini azaltmasına neden olacaktır.

İleri besleme kontrolü

İleri besleme kontrolünde, herhangi bir bozucu etkinin etkileri olay gerçekleşmeden önce tahmin edilir ve hesaba katılır. Bunun bir örneği, büyük bir buhar kullanan proses tesisini devreye almadan önce kazanı yüksek ateşe getirmektir. Olaylar dizisi, proses tesisinin açılması olabilir. Bu eylem, prosesteki buhar vanasını açmak yerine, kazan brülörüne yüksek ateş talimatı verir. Yalnızca yüksek ateş pozisyonuna ulaşıldığında proses buhar vanasının açılmasına izin verilir ve ardından yavaş, kontrollü bir şekilde.

Tek döngü kontrol

Bu, sadece bir kontrollü değişkeni (örneğin sıcaklık) içeren en basit kontrol döngüsüdür. Bunu açıklamak için, Şekil 5.3.4’te gösterildiği gibi bir buhar-su ısı eşanjörü ele alınmıştır.

Şekil 5.3.4’te kontrol edilen tek değişken, ısı eşanjöründen çıkan suyun sıcaklığıdır. Bu, ısı eşanjörüne buhar sağlayan 2 portlu buhar vanasını kontrol ederek gerçekleştirilir. Birincil sensör, su sıcaklığını algılayan bir termokupl veya PT100 platin direnç termometresi olabilir.

Kontrolör, sensörden gelen sinyali kontrolördeki ayar noktası ile karşılaştırır. Bir fark varsa, kontrolör vananın aktüatörüne bir sinyal gönderir, bu da vanayı yeni bir pozisyona hareket ettirir. Kontrolör ayrıca vana açıklığının yüzdesini gösteren bir çıkış göstergesi de içerebilir. Tek kontrol döngüleri, ısıtma sistemleri ve endüstriyel prosesler için ezici çoğunlukla kontrol sağlar. Tek kontrol döngüleri için kullanılan diğer terimler şunlardır:

• Ayar değeri kontrolü
• Tek kapalı döngü kontrolü.
• Geri besleme kontrolü.

Çok döngü kontrol

Aşağıdaki örnek, belirli bir nem seviyesinde kontrol edilmesi gereken yavaş hareket eden ahşap bazlı bir ürün için bir uygulamayı ele almaktadır (Şekil 5.3.5 ve 5.3.6’ya bakın).

Şekil 5.3.5’te, konveyörün sonundaki tek nem sensörü, fırın tarafından eklenen ısı miktarını kontrol eder. Ancak su püskürtme hızı değişirse, örneğin su besleme basıncındaki dalgalanmalar nedeniyle, ürün konveyörün uzak ucuna ulaşana ve nem sensörü tepki verene kadar belki 10 dakika geçebilir. Bu, ürün kalitesinde varyasyonlara neden olacaktır.

Kontrolü iyileştirmek için, Şekil 5.3.6’da gösterildiği gibi su püskürtmeden hemen sonra başka bir kontrol döngüsüne sahip ikinci bir nem sensörü kurulabilir. Bu nem sensörü, kontrolöre uzak bir ayar noktası girişi sağlar; bu, yerel ayar noktasını ofsetlemek için kullanılır. Yerel ayar noktası, fırından sonra istenen nem seviyesine ayarlanmıştır. Bu, basit bir formda, çok döngü kontrolü örnekler. Bu nem kontrol sistemi iki kontrol döngüsünden oluşur:

• Döngü 1, suyun eklenmesini kontrol eder.
• Döngü 2, suyun uzaklaştırılmasını kontrol eder. Bu proseste, faktörler her iki döngüyü de etkileyecektir. Su basıncı gibi bazı faktörler her iki döngüyü de etkiler. Döngü 1 bunu düzeltmeye çalışacaktır, ancak ortaya çıkan herhangi bir hata Döngü 2 üzerinde bir etkiye sahip olacaktır.

Kaskad kontrol

Bağımsız iki değişkenin bir vanayla kontrol edilmesi gereken yerlerde, bir kaskad kontrol sistemi kullanılabilir. Şekil 5.3.7, sıvı ürün dolu bir buhar ceketli kap göstermektedir. Prosesin temel yönleri oldukça titizdir:

• Kap içindeki ürün belirli bir sıcaklığa ısıtılmalıdır.
• Buhar belirli bir sıcaklığı aşmamalıdır, aksi takdirde ürün bozulabilir.
• Ürün sıcaklığı belirli bir orandan daha hızlı artmamalıdır, aksi takdirde ürün bozulabilir. Sıvıya yerleştirilmiş sensörlü normal, tek döngü kontrol kullanılsaydı, prosesin başında sensör düşük bir sıcaklık algılar ve kontrolör vanaya tamamen açık pozisyona hareket etmesi için sinyal verirdi. Bu, cekette aşırı buhar sıcaklığından kaynaklanan bir soruna yol açardı.

Çözüm, iki kontrolör ve iki sensör kullanan bir kaskad kontrol kullanmaktır:

• Ceketteki buhar sıcaklığını izleyen ve kontrol vanasına sinyal çıkışı sağlayan bir alt kontrolör (Kontrolör 2) ve sensör
• Ürün sıcaklığını izleyen ve kontrolör çıkışını alt kontrolöre yönlendiren bir ana kontrolör (Kontrolör 1) ve sensör.
• Ana kontrolörden gelen çıkış sinyali, alt kontrolördeki ayar noktasını değiştirmek için kullanılır, böylece buhar sıcaklığının aşılmaması sağlanır. Örnek 5.3.1 Bir proseste kaskad kontrol uygulaması örneği Sıvı sıcaklığı 15°C’den 80°C’ye ısıtılacak ve iki saat boyunca 80°C’de tutulacaktır. Buhar sıcaklığı hiçbir koşulda 120°C’yi aşamaz. Ürün sıcaklığı dakikada 1°C’den daha hızlı artmamalıdır. Ana kontrolör, su sıcaklığındaki artış hızının belirtilenden daha yüksek olmaması için rampalanabilir. Ana kontrolör, ters işleyen modda ayarlanmıştır, böylece alt kontrolöre gönderilen çıkış sinyali düşük sıcaklıkta 20 mA ve yüksek sıcaklıkta 4 mA’dir. Alt kontrolördeki uzak ayar noktası, buhar sıcaklığı 80°C olduğunda vanaya gönderilen çıkış sinyalinin 4 mA ve buhar sıcaklığı 120°C olduğunda 20 mA olması için ayarlanmıştır. Bu şekilde, buhar sıcaklığı sistem tarafından tolere edilenden yüksek olamaz ve ceketteki buhar basıncı 120°C’deki doyma basıncı olan 1 bar g’den yüksek olamaz.

Prosesin dinamikleri

Bu çok karmaşık bir konudur, ancak metnin bu bölümü en temel dikkate alınacak hususları ele alacaktır. Aktüatör hareketi için geçen sürenin tanımıyla ilgilenen ‘zaman sabiti’ terimi, Modül 5.1’de zaten özetlenmiştir; ancak tekrarlamak gerekirse, belirli bir adım sıcaklık veya başka bir değişkenlik nedeniyle bir kontrol sisteminin toplam hareketinin yaklaşık üçte ikisine ulaşması için geçen süredir. Kontrol sisteminin diğer parçaları da benzer zaman tabanlı tepkilere sahip olacaktır - kontrolör ve bileşenleri ile sensörün kendisi. Tüm enstrümanların, enstrümana girdi ile sonraki çıktı arasında bir zaman gecikmesi vardır. Aktarım sisteminin bile bir zaman gecikmesi olacaktır - elektrik/elektronik sistemlerde bir sorun değil, ancak pnömatik aktarım sistemlerinde hesaba katılması gereken bir faktör. Şekil 5.3.8 ve 5.3.9, su sıcaklığını algılamak için bir cebe takılmış bir termokupl için bazı tipik tepki gecikmelerini göstermektedir.

Sensör yanıtındaki gecikmelerin yanı sıra, kontrol sisteminin diğer parçaları da tepki süresini etkiler. Pnömatik ve kendinden tahrikli sistemlerde, vana/aktüatör hareketi sorunsuz olma eğilimindedir ve oransal bir kontrolörde, sensördeki sıcaklık sapmasına doğrudan orantılıdır.

Elektrikli bir aktüatörde, motorun kontrol bağlantısını hareket ettirmesi için geçen süreden kaynaklanan bir gecikme vardır. Kontrol sinyali bir dizi darbe olduğundan, motor hareket patlamaları ve ardından aktüatörün sabit kaldığı dönemler sağlar. Tepki diyagramı (Şekil 5.3.10) bunu göstermektedir. Ancak, proses tepkisindeki gecikmeler nedeniyle, son kontrol edilen sıcaklık yine de sorunsuz olabilir.

Bu Modülde ele alınan kontrol sistemleri yalnızca sabit durum koşullarını dikkate almıştır. Ancak kontrol altındaki proses veya tesis, belirli bir davranış kalıbını takiben varyasyonlara maruz kalabilir. Kontrol sistemi, prosesin öngörülebilir bir şekilde davranmasını sağlamak için gereklidir. Proses hızla değişen bir şeyse, kontrol sistemi hızlı tepki verebilmelidir.

Proses yavaş değişiyorsa, kontrol sisteminin çalışma hızı üzerindeki talepler o kadar katı değildir. Kontrolörlerin ve kontrol sistemlerinin statik ve dinamik davranışları hakkında çok şey belgelenmiştir - hassasiyet, tepki süresi vb. Muhtemelen en önemli dikkat faktörü, tam kontrol döngüsünün zaman gecikmesidir. Doğru kontrolör, sensör ve aktüatör türünü seçmek için prosesin dinamiklerinin dikkate alınması gerekir.

Proses tepkileri

Bu dinamik özellikler, kontrol ayarlarındaki ani bir değişikliğe (adım girdi olarak bilinen) verilen proses tepkisiyle tanımlanır. Bu, Şekil 5.3.11’de gösterildiği gibi ayar sıcaklığında ani bir değişiklik içerebilir. Sistemin tepkisi Şekil 5.3.12’de gösterilmektedir; prosesteki sıcaklık artmaya başlamadan önce belirli bir ölü süre gösterir. Bu ölü süre, elektrikli bir aktüatörün yeni konumuna hareket etmesi gibi şeylerden kaynaklanan kontrol gecikmesinden kaynaklanır. Zaman sabiti, sensörün bir cebe yerleştirilip yerleştirilmediği gibi şeylerden etkilenen sistemin dinamik tepkisine göre farklılık gösterecektir.

Herhangi iki prosesin tepkisi, sistemden dolayı farklı özelliklere sahip olabilir.

Ölü sürenin ve zaman sabitinin, ani bir girdi değişikliğine sistem tepkisi üzerindeki etkileri Şekil 5.3.12’de grafiksel olarak gösterilmiştir. Girdi değişikliklerine hızlı bir başlangıç tepki oranına sahip sistemler genellikle birinci derece yanıta sahip olarak adlandırılır. Girdi değişikliklerine yavaş bir başlangıç tepki oranına sahip sistemler genellikle ikinci derece yanıta sahip olarak adlandırılır. Proses tepkisinin temel türlerine genel bakış (ölü sürenin etkileri, birinci derece tepki ve ikinci derece tepki) Şekil 5.3.13’te gösterilmiştir.