Reguleringsteknikk

Reguleringsteknikk er eit fagfelt som fokuserer på matematisk modellering og regulering av dynamiske system. Fagfeltet femnar om modellering og kontroll av blant anna elektriske, mekaniske, mekatroniske, kjemiske, og hydrauliske system.

Reguleringssløyfe

500pxReguleringssløyfe.

Dei fleste kontrollsystema nyttar ei eller anna form for tilbakekopling, der ein samanliknar ein setverdi (ønskt verdi) $r(t)$ med ein målt verdi $y(t)$ . Differansen mellom pådraget og den målte verdien $e(t)=r(t)-y(t)$ vert så køyrd gjennom ein regulator, som genererer eit styresignal $u(t)$ , som så vert nytta til å drive ein eller fleire aktuatorar. Pådraget $x(t)$ , som kan vera elektrisk, hydraulisk, osb., påverkar så systemet som skal regulerast.

Det finst mange forskjellige reguleringsstrategiar, frå enkle system med ei reguleringssløyfer, som i figuren over, til multivariable reguleringssystem med fleire reguleringssløyfer. Regulatorane som vert nytta varierer òg frå enkle PID-regulatorar til avanserte modellbaserte regulatorar.

På same måte finst det mange forskjellige bruksområde for reguleringsteknikk. Det er ofte nyttig å skilja mellom reguleringsstrategi og bruksområde.

Diskret regulering

Hovudartikkel: Diskret regulering

Reguleringssløyfe.

Det er ofte ein føremon å nytta tids-diskrete reguleringssystem. Dei analoge tids-kontinuerlege signala $r(t)$ og $y'(t)$ vert då sampla (diskretiserte langs tidsaksen) og amplitudane vert kvantiserte av AD-omformarar. Dei diskrete sekvensane $r(n)$ og $y(n)$ vert så subtraherte og differansesekvensen $e(n)$ vert sent til ein diskret regulator. Den tids-diskrete utgangssekvensen frå regulatoren vert så omforma til eit tids-kontinuerleg analogt signal av ein DA-omformar.

Regulatoren i eit tids-diskrete reguleringssystem er ei algoritme, realisert som eit program som køyrer på ein mikroprosessor, mikrokontroller, DSP, ASIC, FPGA, eller liknande. Føremonane med å nytta diskret regulering er at ein kan nytta meir avanserte regulatorar, det er lettare å justera regulatorparametre, osb.

Døme på bruksområde

Regulering av mekatroniske system

Typiske døme på slike reguleringssystem er blokkeringsfrie bremsar på bilar, hastigheitsregulering av synkrongeneratorar i kraftverk, dynamisk posisjonering av skip, regulering av rotasjonshastigheita av CD-plater i CD-spelarar, djupneregulering ved pløying, stabilisering av rakettar under oppskyting, osb.

Prosesskontroll

I eit prosessystem har me ein er-verdi. Det er den gjeldande, målte verdien. Skal-verdien er den ønskte verdien. Å regulera prosessen vil seia å få er-verdien til å verta lik eller tilnærma lik skal-verdien. Eit måleelement måler er-verdien. Måleelementet er tilkopla ein måleomformar (transmitter), som sender eit signal til ein regulator. Regulatoren samanliknar denne målte verdien med skal-verdien, og sender ut eit signal til eit pådragsorgan.

Manuell regulering

Temperaturregulering i heimen skjer for dei fleste ikkje automatisk. Målet er å oppnå «vanleg» romtemperatur, la oss seia 21°C. Når utetemperaturen går ned eller nokon skrur ned ein omn, vil også innetemperaturen gå ned. Det vil merkast ved at folka frys, eller ein kan lesa det av på eit vanleg kvikksølv-termometer. Då fungerer termometeret eller kuldekjensla som måleelement for er-verdien. Personen som frys eller les av temperaturen, tek jobben som måleomformar og regulator. Han legg då ved i vedomnen, som då vil fungera som pådragsorgan. Då vil temperaturen etter ei stund gå opp, og til slutt overstiga den ønskte temperaturen. Dette vil ein motverka ved å la det gå lengre tid før ein legg i meir ved, eller ved å justera lufttilførselen til omnen. Til slutt vil temperaturen vonleg nå det ønskte nivået, og liggja der fram til neste gong noko påverkar temperaturen.

Automatisk regulering

I ein reguleringskrins vil det vera ønskjeleg å regulera seg fram til skal-verdien på kortast mogleg tid og med minst mogleg kostnad. Då vil det ikkje vera særleg effektivt å bruka manuell regulering. I ein reguleringskrins for temperatur i industrien, vil ein byta ut kvikksølvtermometeret med eit meir nøyaktig måleelement, som kan gje nøyaktige opplysningar vidare til regulatoren. Regulatoren vil verta optimalisert, han er då stilt inn slik at han alltid skal gje den optimale utgangsverdien for den prosessen han styrer. Regulatoren vil gje eit utgangssignal som kan variera over heile skalaen frå 0 til 100%. Dette signalet er kompatibelt med styringa til pådragsorganet, slik at pådragsorganet heile tida gjev ut den ønskte effekten. Pådragsorganet kan her vera til dømes eit elektrisk varmeelement.

Framleis vil me ha ei forseinking i systemet. Mediet me skal varma opp, vil ikkje verta varmt like snart som varmeelementet. Difor kan regulatoren ha funksjonar for å motverka overregulering.

Ytre påverknader på temperaturen, vil fangast opp av regulatoren straks dei får innverknad på mediet. Då går det raskt for systemet å regulera pådragsorganet slik at mediet får den rette er-verdien.

Bakgrunnsstoff

Balchen, J.G., Reguleringsteknikk, Bind 1, Tapir, 1977.
Haugen, F., Regulering av dynamiske systemer, Bind 2, Tapir, 1996.
Kuo, B.C., Automatic control systems, 6. utg., Prentice-Hall, 1991.
Larsen, B., Reguleringsteknikk for automatikarfaget, Vett & Viten AS, 1996. ISBN 82-412-0219-9
Ogata, K., Discrete-time control systems, Prentice-Hall, 1987.