"Yarı geri çekilmiş" bir denetleyici kullanarak Bang-Bang sensörlerinden orantılı geri bildirim oluşturun
Ters geri bildirim ve kontrol döngülerinin ortaya çıkması mühendislik tarihinde parlak bir ilerleme olarak adlandırılabilir, ancak bunu izleyen (muhtemelen aynı gün!) Olumsuz etkiler de vurgulanarak büyük kafa karışıklığına, hayal kırıklığına ve başarısızlığa neden oldu ve ortaya çıktı. Sorunlar arasında zaman gecikmesi, sönümlenmemiş aşma, istikrarsızlık ve salınım yer alır. Yıllar geçtikçe, servo döngüsünde bulunan ve istikrarı bozan bu şeytanı evcilleştirmek için çeşitli geri bildirim teknolojileri ve kontrol stratejileri ortaya çıktı. Bunların arasında, en güçlü ve popüler orantılı integral türev (PID) denetleyicisi.
PID yaygın ve başarılı bir şekilde uygulanmasına rağmen, kendi sınırlamaları da vardır. PID denetleyicilerinin özel bir sorunu, tek bitli (yani "yüksek / düşük" veya "Bang-Bang") geri besleme sensörleriyle koordinasyondur. Bu tür sensörler PID'de sorun yaratır, çünkü çıkışları PID'nin orantılı (P) veya türev (D) bilgilerini içermez ve geriye sadece kontrol sinyalini çıkarmak için kullanılan integrali (I) bırakır. Ne yazık ki, saf integrallerin kontrollü değişkenlerde ciddi kararlılık sorunları vardır.
Kontrollü değişkeni örnekleyen ve değeri set değerinden çıkaran, farkı kazanç faktörüyle çarpan ve ardından bir geri bildirim (çıkış) sinyali oluşturmak için sonucu entegre eden bir "doğrudan entegrasyon" algoritması vardır. Ortaya çıkan servo döngü, basitlik ve sıfır sabit durum hatası dahil olmak üzere çok iyi bir performansa sahiptir. Bununla birlikte, nihayetinde ayar noktasına geri dönmeyecek olan istenmeyen bir sürekli salınım eğilimi sergiler. Bu sürekli salınım neredeyse kaçınılmazdır, çünkü kontrollü değişken sapmayı düzelttiğinde ve ayar noktasına geri dönmeye çalıştığında, geri bildirim ciddi şekilde aşırı düzeltilmiştir. Ortaya çıkan aşma, orijinal bozulma kadar büyük olabilir, bu da ilk aşma kadar büyük bir ters hedefe ulaşmayla sonuçlanır ve devam eder.
Şekil 1, bağıl nem kontrolünün bir uygulama örneğini göstermektedir Kırmızı eğri bağıl nemi temsil etmektedir Basit bir "Bang-Bang" sensörü ve açık bir şekilde tatmin edici olmayan doğrudan entegrasyon algoritması kullanılarak bir çevresel bölmede uygulanmaktadır.
Şekil 1: "Bang-Bang" sensörü ve saf entegre geri besleme, sistem kararsızlığına neden olur.
Bu nedenle, on yıldan fazla bir süre önce, PID'den daha basit ve ayarlaması daha kolay olan bir alternatif tasarlamaya çalıştım.PID gibi üç yerine ayarlanacak tek kazanç faktörü var. Buna "yarı geri çekilmiş" (TBH) denetleyici adını verdim ve 2005'te bir EDN tasarım örneği makalesinde açıkladım.
Sezgiye göre, sorunu çözmek için doğrudan entegrasyon ve "Bang-Bang" sensörleri kullanmak isteyebilirsiniz.Sistem ayar noktasını aştığında, gerekli geri bildirimi basit entegrasyon yönteminden daha iyi bir şekilde tahmin edecektir. TBH kontrolörü bu fikre dayanmaktadır ve bunu, yaklaşık olarak eşit olacak şekilde doğrudan integral sönümsüz aşma ve aşma kullanarak başarır. Bu amaçla, önceki dönüştürmedeki geri besleme terimi H'nin değeri olan HO değişkeni tanıtıldı. Ardından, sistemin ayarlanan değeri aşması dışında, değiştirilmiş servo döngüsünü çalıştırın. Ayar noktası aşıldığında, geri besleme terimi (H), mevcut değerinin ortalaması ve önceki değer (HO) ile değiştirilir. Bu hamle, fazla noktalar arasında biriken ayarlamaların yarısını geri kazanacaktır, bu yüzden bu takma ad: TBH.
TBH'nin dinamik performansı (örneğin, sabit hız) profesyonel olarak ayarlanmış PID döngüsü ile karşılaştırılamasa da ve çeşitli zor istenmeyen süreçlerle uğraşması gerekse de, temel kararlılık ve doğal sıfır kararlı durum hatasını elde etmek kolaydır. Nispeten istikrarlı.
Ne mutlu ki, saf entegre kararlı kontrol, TBH'nin uzmanlık alanıdır. Modifiye edilmiş TBH'nin saf entegrasyon sonucu, açıkça daha iyi performans gösteren Şekil 2'de gösterilmektedir.
Şekil 2: TBH entegrasyonu aracılığıyla yakınsama ve istikrarı iyileştirin.
Bu yöntemin çalışan bir örneğini sağlamak için TBH nem kontrol çözümü hakkında daha fazla bilgi edinmeniz gerekir. "Bang-Bang" nem sensörünü tanımlayarak başlamalıyız: Vishay 691, ortamın bağıl nemi (% RH)% 10'dan% 90'a değiştiğinde, kapasitesi ~ 112pF'den ~ 144pF'ye (yani, ~ 0.36pF /% RH ). Parametre eğrisi Şekil 3'te gösterilmiştir.
Bu sensörü kullanan eksiksiz kontrol sistemi Şekil 4'te gösterilmektedir. Devre topolojisi, RS flip-flop IC3A'yı kapasitans oranı karşılaştırıcısı olarak kullanır, Vishay dedektörü CX'i referans kapasitans CREF ile ilişkilendirir ve VR2,% RH ayar noktasını elde etmek için ayar noktası oranını ayarlar. Karşılaştırıcı yalnızca sensör okumasının ayarlı değerden yüksek mi yoksa düşük mü olduğunu gösterir.
IC2B (pin 7), 22 Hz civarında çalışan basit bir saat üretir. Denetleyicinin karşılaştırma döngüsü, IC3A'daki R ve S girişlerini yüksek seviyelere yönlendiren saatin pozitif geçişiyle başlar. Bu durum, Q ve -Q çıkışlarını yüksek seviyelere ayarlarken RS flip-flopunu mantıksal olarak garip ve garip bir duruma sokar. Saat sinyali daha sonra düşük bir seviyeye döndüğünde, IC3A'nın S ve R girişleri hemen ardından gelir ve oran, ilgili RC zaman sabitine bağlıdır.
IC3A, mantık anormal durumundan çıkar ve sonunda, hangi girişin (R veya S) daha uzun bir RC zaman sabiti tarafından sürüldüğüne bağlı olarak kararlı bir 0/1 durumuna girer. S pinindeki zaman sabiti CX'e bağlı olduğundan, aynı zamanda RH% tarafından da belirlenir. % RH ise < Değeri ayarlayın, ardından Q = 0, RH% ise > Değeri ayarlayın, ardından Q = 1. IC3B, bir sonraki saat döngüsünün başlangıcında IC3A'nın sekanslama sonucunu yakalar ve Şekil 5'teki zamanlama diyagramında gösterildiği gibi kararlı bir ikili duruma girer.
Şekil 4: TBH nem kontrolörü.
Kontrolörün orantılı çıkış sinyali, IC3B'den VR1 tarafından ölçeklenen sinyali alan entegratör IC2A'dan gelir - bu, TBH (tek) geri besleme kazanç faktörüdür. Aynı zamanda, IC1'in anahtarı, IC3A ve IC3B'nin çıkışını saat (IC2B) ile birleştirir ve algılanan RH sinyali her iki yönde ayarlanan değeri aştığında düşük seviyeli bir darbe üretir. Yarım kurtarma durumu meydana geldiğinde, darbeyi aşan TBH ayar noktası, geri besleme yakınsaması ve kararlılığı için kritiktir. Elde edilen çıkış sinyali Şekil 5'te gösterilmektedir.
Şekil 5: RH sensörü ve TBH algoritması zamanlama diyagramı.
