🎛️ Řízení: ovládání a regulace

Sprcha a topení

O čem to je

Ráno pouštíš sprchu. Otočíš kohoutkem, rukou zkusíš vodu, je studená, tak přitočíš teplou. Znovu zkusíš a doladíš. Právě jsi regulovala/reguloval: měříš, porovnáváš s tím, co chceš, a zasahuješ.

Stroje v továrně dělají totéž bez člověka. Udržují teplotu pece, otáčky vřetena nebo tlak v potrubí. Abys stroje uměl/a nastavit a opravit, musíš rozlišit dva základní způsoby řízení: ovládání a regulaci.

Nové pojmy

ŘízeníCílené působení na nějaké zařízení tak, aby dělalo to, co chceme. Je to společný název pro ovládání i regulaci.Zapnutí pásového dopravníku, udržování teploty v troubě.
Řízená soustavaZařízení nebo proces, který řídíme. Někdy se jí říká objekt řízení.Pec, nádrž s vodou, motor.
Ovládání (řízení v otevřené smyčce)Řídicí člen pošle povel a dál nekontroluje, jak to dopadlo. Informace jde jen jedním směrem.Pračka podle programu topí 20 minut, ať je voda jakkoli teplá. Semafor přepíná podle času.
Zpětná vazbaInformace o skutečném stavu, která se vrací zpět k řídicímu členu. Ten ji porovná s tím, co chceme.Ruka pod sprchou „hlásí“ hlavě, jak je voda teplá.
Regulace (řízení v uzavřené smyčce)Řízení se zpětnou vazbou: stav se stále měří, porovnává s požadovaným a podle rozdílu se zasahuje.Termostat v obýváku zapíná kotel, dokud není 21 °C.

Co se v regulaci děje

Regulovaná veličina (y)Veličina, kterou chceme udržet na určité hodnotě. Tu měříme.Teplota v místnosti.
Žádaná hodnota (w)Hodnota, na které chceme regulovanou veličinu udržet. Nastavuje ji člověk.21 °C nastavených na termostatu.
Regulační odchylka (e)Rozdíl mezi žádanou a skutečnou hodnotou: e = w − y.Chceme 21 °C, je 19 °C → e = 21 − 19 = 2 °C.
Akční veličina (u)Zásah regulátoru do soustavy, kterým mění regulovanou veličinu.Výkon kotle, otevření ventilu.
Porucha (z)Vliv zvenčí, který regulovanou veličinu nechtěně mění a my ho neřídíme.Otevřené okno, mráz venku, víc lidí v místnosti.
  1. Snímač změří skutečnou teplotu y
  2. Regulátor spočítá odchylku e = w − y
  3. Regulátor nastaví akční zásah u
  4. Topení změní teplotu v místnosti
  5. Porucha (okno) teplotu zase změní

Projdi koloběh šipkami. Všimni si, že se nikdy nezastaví: regulace běží pořád dokola, proto „smyčka“.

Proč nestačí ovládání

Ovládání je levné a jednoduché. Neumí ale reagovat na poruchu. Pračka topí 20 minut, i když do ní napustíš studenější vodu než obvykle, a výsledek je horší. Regulace poruchu „uvidí“ přes zpětnou vazbu a vyrovná ji.

Termostat má žádanou hodnotu 22 °C, teploměr ukazuje 23,5 °C. Jaká je regulační odchylka a co regulátor udělá?
e = w − y = 22 − 23,5 = −1,5 °C. Odchylka je záporná, je tedy tepleji, než chceme. Regulátor topení ubere nebo vypne.
Rozhodni: a) vysoušeč rukou běží 30 s po zmáčknutí tlačítka, b) tempomat v autě drží 90 km/h i do kopce.
a) ovládání – nikdo neměří, jestli máš suché ruce. b) regulace – tempomat měří rychlost (zpětná vazba) a do kopce přidá plyn, protože kopec je porucha.
✗Automatická pračka je regulace, protože běží sama.
✓Samočinnost neznamená regulaci. Rozhoduje, jestli se výsledek měří a porovnává. Časový program bez měření je ovládání.

Regulace = uzavřená smyčka se zpětnou vazbou. Bez měření skutečného stavu je smyčka otevřená.

Ovládání pošle povel bez kontroly (otevřená smyčka). Regulace měří regulovanou veličinu y, porovná ji s žádanou hodnotou w, z odchylky e = w − y určí akční zásah u a tím vyrovnává poruchy (uzavřená smyčka).

Blokové schéma

O čem to je

Technik, který ladí linku, si systém nekreslí jako fotku stroje. Kreslí blokové schéma: obdélníky a šipky. Z něj na první pohled pozná, jestli jde o ovládání nebo regulaci a kde hledat chybu.

Nové pojmy

Blokové schémaObrázek z obdélníků (bloků) a šipek. Blok je část systému, šipka je signál, který teče mezi částmi.Blok „regulátor“ → šipka „akční veličina“ → blok „pec“.
SignálInformace přenášená mezi bloky, většinou elektrické napětí nebo proud, jehož velikost odpovídá nějaké veličině.Snímač teploty posílá 4–20 mA podle teploty.
Řízená soustavaBlok, který představuje řízené zařízení (stroj, pec, nádrž).Elektrická pec.
Řídicí člen (regulátor)Blok, který rozhoduje, jak zasáhnout. V regulaci se mu říká regulátor.Termostat, PLC, elektronický regulátor teploty.
Akční členBlok, který zásah fyzicky provede.Ventil, stykač topné spirály, motor.
SnímačBlok, který měří skutečnou hodnotu a převádí ji na signál.Teploměr Pt100.
Zpětná vazbaŠipka, která vede ze snímače zpátky k regulátoru. Uzavírá smyčku.Signál teploty jde z pece do regulátoru.

Otevřená smyčka (ovládání)

Uzavřená smyčka (regulace)

Na vstupu je žádaná hodnota w.
Porovnávací člen (kroužek se znaménky) od ní odečte skutečnou hodnotu y: vznikne odchylka e = w − y.
Regulátor podle e vypočte akční veličinu u.
Akční člen zasáhne do soustavy.
Do soustavy působí i porucha z.
Snímač měří y a vede ji zpětnou vazbou zpět do porovnávacího členu.
ZnačkaNázevPříklad (pec)
wžádaná hodnota200 °C
yregulovaná veličinaskutečná teplota
eregulační odchylkaw − y
uakční veličinavýkon topení
zporuchaotevřená dvířka

Roztřiď příklady. U každého se zeptej: měří se výsledek a vrací se zpátky?

Nakresli slovy blokové schéma regulace hladiny v nádrži s plovákem, který přivírá přítokový ventil (jako ve WC nádržce).
Žádaná hodnota w = výška, na kterou je nastavený plovák. Snímač = plovák (měří hladinu y). Regulátor + akční člen = páka s ventilem. Soustava = nádrž. Porucha z = spláchnutí (odtok). Plovák klesne → ventil se otevře → voda přitéká → hladina stoupá → ventil se zavře. Šipka zpět vede přes plovák, smyčka je uzavřená.
V peci je w = 850 °C a y = 820 °C. Pak se otevřou dvířka a y klesne na 790 °C. Jak se změní odchylka?
Před otevřením: e = 850 − 820 = 30 °C. Po otevření (porucha): e = 850 − 790 = 60 °C. Odchylka vzrostla, regulátor proto zvýší výkon topení.
✗Odchylka je e = y − w (skutečná minus žádaná).
✓V regulační technice se odchylka zavádí jako e = w − y.

Kladná odchylka pak znamená „je málo, přidej“. Při opačném znaménku by regulátor zasahoval obráceně.

V blokovém schématu má regulace šipku zpětné vazby ze snímače do porovnávacího členu, ovládání ji nemá. Regulátor pracuje s odchylkou e = w − y a přes akční člen vyrovnává poruchy z.