Sterowanie w pętli otwartej czy zamkniętej?

Kocioł warzelniczy – przykład ilustrujący potrzebę zastosowania zamkniętego układu regulacji. Źródło: Control Engineering

Układy regulacji w pętli zamkniętej i otwartej mają swoje szczególne zastosowania i operatorzy procesu powinni poznać i przeanalizować wszystkie okoliczności, zanim zdecydują się na wybór odpowiedniego rozwiązania. Oczywistą zaletą regulacji w pętli zamkniętej jest wiedza, jak proces reaguje na działania regulatora. Z drugiej strony, jeżeli nie ma wątpliwości, co się wydarzy po podaniu odpowiedniego sygnału przez regulator w pętli otwartej, nie ma potrzeby zamykania pętli przez urządzenie pomiarowe.

Układy regulacyjne mogą pracować w pętli zamkniętej lub otwartej. Różnica między nimi polega na zastosowaniu sprzężenia zwrotnego.

Regulacja w pętli zamkniętej

System regulacji w pętli zamkniętej (zwany także układem regulacji ze sprzężeniem zwrotnym) „obserwuje” sygnał wyjściowy i dostosowuje go do żądanej wartości. Działanie regulacyjne w tym przypadku zależy od zmian w procesie, jakie wywołuje jego sygnał wyjściowy.

Regulacja w pętli zamkniętej jest techniką automatyzacji, w której dokonuje się pomiaru wielkości regulowanej, analizuje, czy wartość rzeczywista mieści się w założonych granicach zmienności i przesyła sygnał korekcyjny, jeśli granice te są przekroczone. Następnie mierzy się ponownie wartość regulowaną i powtarza działanie aż do momentu osiągnięcia obszaru dopuszczalnej zmienności.

Regulacje w pętlach zamkniętych prowadzi się zwykle z wykorzystaniem podgrzewaczy, pomp, zaworów i innych tego typu urządzeń, dla utrzymania temperatury, ciśnienia, poziomu czy wielkości przepływu w procesach przemysłowych na poziomie wymaganym do produkcji wysokiej jakości produktu przy najniższym jej koszcie.

Regulacja w pętli otwartej

Regulacja w pętli otwartej również ma wpływ na prowadzony proces technologiczny, lecz bez kontroli zwrotnej takich działań. Układ regulacji w pętli otwartej (zwany także układem regulacji bez sprzężenia zwrotnego) działa w oparciu jedynie o sygnał wejściowy, który nie zależy od zmian w procesie, jaki wywołuje. Każdy mechanizm mogący włączać i wyłączać urządzenie technologiczne może być uważany za regulator pracujący w pętli otwartej, tak samo jak regulator działający w pętli zamkniętej, ale rozłączony ze swoim elementem pomiarowym.

Każdy rodzaj regulacji ma swoje zalety i dobrze się sprawdza w szczególnych przypadkach regulacji. Układy zamknięte lepiej się sprawdzają w automatycznej regulacji, podczas gdy układy otwarte potrzebują współpracy z operatorem.

Jeżeli regulacja wymaga pomiarów bezpośrednich lub pośrednich, zamknięty układ regulacji jest lepszym wyborem, gdy:

➡ pomiar jest fizycznie możliwy do wykonania,

➡ proces jest przewidywalny (znana jest przybliżona reakcja procesu na działania regulacyjne),

➡ sygnały wyjściowe zmieniają się w ograniczonym zakresie.

Zanim zamknięty układ regulacji zostanie zaprojektowany i wyregulowany, trzeba zapewnić, aby wszystkie jego elementy pracowały poprawnie. Zacinający się zawór, przekładnia z dużymi oporami ruchu czy rozkalibrowany czujnik – wszystko to musi zostać naprawione. Wszystkie opóźnienia występujące w układzie powinny być zminimalizowane. Mimo że zamknięty układ regulacji jest dość drogi, to pociąga zwykle mniejsze koszty niż wykorzystanie do regulacji operatorów zmieniających stale punkty pracy układów otwartych.

Zalety zamkniętych układów regulacji:

➡ parametry procesu są utrzymywane na żądanym poziomie z określoną dokładnością,

➡ korekcje zakłóceń w procesie są wprowadzane automatycznie,

➡ procesy niestabilne mogą zostać ustabilizowane.

Układ z otwartą pętlą regulacji jest lepszym rozwiązaniem, gdy:

➡ priorytetem są niskie koszty układu regulacyjnego,

➡ wyjście regulatora zmienia się rzadko lub wcale (np. niektóre pompy chłodzące),

➡ nie jest możliwy pomiar wielkości regulowanej,

➡ w układzie regulacji występują uszkodzone elementy, takie jak zacinający się zawór, nieskalibrowany przetwornik itp.,

➡ rzadko występują zakłócenia procesu.

Przykład kotła warzelniczego

Procedura warzenia piwa wymaga mieszania produktu na pewnym etapie procesu. Regulator musi zatem w odpowiednim momencie procesu włączyć mieszadło. Pomijając nagłą, niespodziewaną awarię mieszadła, regulator zakłada, że zacznie ono pracę, gdy tylko zostanie włączone, nie ma więc potrzeby dokonywania pomiarów jakichkolwiek parametrów dla potwierdzenia zadziałania mieszadła. Regulacja w pętli otwartej jest w tym przypadku zupełnie wystarczająca.

Inaczej na etapie warzenia piwa, gdy regulator musi wielokrotnie mierzyć temperaturę nastawu dla zapewnienia, że znajduje się ona w określonym optymalnym zakresie. Zmiany temperatury otoczenia oraz temperatury materiałów wsadowych często wywołują znaczące zmiany temperatury wewnątrz kotła warzelniczego, których nie można zignorować. Regulator nie może po prostu włączyć grzania kotła, przyjmując, że samoistnie osiągnie on żądaną temperaturę. W tym przypadku regulacja w pętli zamkniętej jest więc niezbędna.

Nie takie proste, jak się wydaje

Niestety, zamknięte pętle regulacji są kosztowne. Nie dość, że dodatkowy czujnik mierzący wartość regulowaną jest zwykle dość drogi, to regulator musi być wyposażony w algorytmy umożliwiające ciągłą realizację funkcji porównania wartości regulowanej i zadanej oraz wypracowania sygnału korekcyjnego sprowadzającego wartość regulowaną do żądanego poziomu, bez jego przekroczenia.

Najbardziej popularnym algorytmem dla regulatorów przemysłowych jest
klasyczny algorytm proporcjonalno-całkująco-różniczkujący (PID), ale niestety nie jest to algorytm niezawodny. Regulator PID musi być bowiem wyregulowany i posiadać nastawy zależne od prowadzonego procesu. Jeżeli regulator jest nastawiony zbyt „agresywnie” lub proces jest bardzo czuły na zmiany, może dojść do przeregulowania wartości regulowanej i przekroczy ona znacznie żądaną wartość, stwarzając zagrożenie dla procesu. Regulator zacznie gwałtownie zmieniać kierunek regulacji, pogarszając tylko sytuację.

Co zatem może zrobić operator przy takim rozregulowaniu pętli regulacyjnej? Otworzyć obwód regulacji.

Autorzy:

Lee Payne jest założycielem i prezesem Dataforth Corp.

Vance Van Doren jest doktorem nauk technicznych i specjalistą w „Control Engineering”.