Além do controle: os sistemas básicos de sistemas de controle
são exatamente o que você acha que eles são: sistemas desenvolvidos para controlar algo. Possivelmente, uma maneira melhor de colocar é o design de sistemas controlar o comportamento de algo. O termo “sistemas de controle” faz um trabalho pendente de ser vago e muitos de nós (originalmente) não pensam muito sobre isso até que seja trazido à nossa atenção ou nós batendo uma armadura robótica para si e examinamos como esse evento horrível foi permitido aconteceu. Normalmente, durante esta investigação, nosso diálogo interno tem uma corrida de loop que vai algo como: “Por que diabos o sistema permitirá que eu manipulá-lo de maneira autodestrutiva!!”
O que eu encontrei foi minha própria ignorância, eu não tinha implementei um sistema de controle adequado. Pode-se fazer um caso alegando que não tive nenhum sistema de controle em conta. Eu pulei de maneira muito rápida, muito rápida (soa familiar?) E pagou o preço de bater um braço rotativo para outra parte do sistema. Felizmente, um amigo entrou e reparou o braço para mim e metaforicamente apontou para um grande sinal de néon na parede e disse “Você não pode desconsiderar isso”. Ele andou para puxar a corrente pendurada abaixo do sinal, a alta tensão energizou o gás nos tubos cegando-me com as palavras agora inevitavelmente aparentes: sistemas de controle.
Evidência de sistemas de controle
Fonte: Globe Rove
Há evidências de sistemas de controle ao nosso redor, usamos todos os dias sem dar qualquer pensamento. Eu me levanto no meio da noite em um delacto, eu embaralheço pelo corredor como um zumbi para um copo de água e nunca sinto falta do acordo com o armário com o meu braço estendido. Eu balancei a porta para o gabinete a distância adequada sem problemas e segure um copo com a outra mão. Eu faço essas coisas sem se concentrar ativamente nelas, mas, no entanto, estas são sistemas de controle. Eu não aperto o copo até que ela se abraça na minha mão enquanto eu entendi do armário. Eu também tenho a capacidade de ligar a água da torneira, encher o copo, desligue a água, e a única coisa molhada é o interior do vidro, não minha mão ou até mesmo a lavadora abaixo da torneira de água. Este é um exemplo de numerosos sistemas de controle complexos que trabalham para um copo de água.
Foguetes inflamaram e impulsionar os satélites na órbita da Terra, um elevador nos entrega ao chão desejado, os sistemas de controle estão em toda parte. Eles estão por aí porque para sempre e podem ser vistos em alguns dos nossos antepassados de caule (acho que acabei de cunhar essa frase) Muitos trabalhos notáveis.
300 b.c. O matemático grego e o criador Ktesibios cria um relógio de água que usa um sistema de controle com água como uma entrada e hora como saída. Tudo entre a água e o tempo é o sistema de controle.
Melhorar em projetos de moinho de vento anteriores, em 1809 William Cubitt criou velas de moinho de vento com persianas automáticas que foram ajustadas por velocidade de vento e um contrapeso, este é um sistema de controle. O vento é a entrada e a energia rotacional constante é a saída.
Fonte: Windmill Shipley
Para observar um sistema existente e apontar para a entrada e saída, afirmando “água, tempo limite, tudo entre eles é um sistema de controle” não discuta como funciona um sistema de controle ou é desenvolvido, mas estamos lá. Essas invenções exigem alguma matemática bastante complexa e chegaremos a isso em um artigo curto subseqüente, mas por enquanto estamos estabelecendo uma base de compreensão. Nós analisamos alguns exemplos de sistemas de controle na natureza e alguns sistemas de controle feitos pelo homem. Eu compartilhei minha ignorância dos sistemas de controle e tentei me redimir dizendo que posso preencher um copo de água.
Também teremos uma olhada em alguns diagramas de blocos e eu deveria te advertir que em algum momento encontraremos algumas matemáticas que você nunca mais vai querer ver novamente. Felizmente a primeira coisa que faremos quando vemos essas terríveis matemáticas é conceber um plano para dar o inferno para lá. Uma vez que estamos com segurança de danos, vamos cuidar de algumas operações mais simples, ou seja, faremos um pouco de álgebra em vez de cálculo e equações diferenciais. Agora vem comigo, amigo, depois do intervalo, a diversão real começa.
O diagrama de blocos
Para os nossos propósitos, elaborei uma versão simplista de sistemas de controle de saída única, saída única (SISO). O diagrama de blocos é o sistema de controle. Podemos manipulá-lo com a álgebra e introduzir novos componentes conforme necessário para obter a saída desejada. No entanto, substituiremos rapidamente esses rótulos genéricos que descrevam melhor os elementos do sistema. Também iremos quebrar o bloco “Sistema de Controle” em vários blocos que compõem o sistema. Você pode pensar nesse diagrama como a descrição de nível alto que você daria a uma criança, lembre-se de “água, tempo, tudo entre eles é um sistema de controle”. O próximo bit é um pouco mais abrangente, mas ainda é simbólico em que não estamos dando uma olhada nos componentes matemáticos de cada bloco ainda.
Vamos criar um exemplo de um sistema de controle específico que temos hipotHetically quer projetar. Que tal uma grande antena parabólica? Bom, é feito. Portanto, temos uma grande antena parabólica que é girada por um motor engrenado. A posição desejada do prato é entrada com um potenciômetro que o controlador usa para identificar a magnitude e direção do movimento requerido para obter a saída desejada. Também levado em conta é o motor em si, a carga que estamos se movendo (grande prato de satélite) e a engrenagem necessária para fazê-lo. A saída deste sistema deve ser alimentada de volta para a entrada por algo chamado (espere por isso), feedback. O caminho de feedback inclui um segundo potenciômetro que é ajustado à medida que o prato gira e entra em uma junção de soma com a entrada.
Agora podemos desenhar um novo diagrama de blocos para representar a descrição muito mais abrangente do que estamos acontecendo neste sistema.
Discutimos os blocos de funções e o fluxo básico do sistema, vamos dar uma olhada nos sinais, que estão em azul no diagrama acima. A entrada angular inicial é um ângulo que o potenciômetro (transdutor de entrada) converte em uma tensão. No intervalo de soma, há dois sinais chegando e saindo, os dois chegando são a tensão proporcional à entrada e da tensão proporcional à saída. Se você notar as marcas de polaridade nos sinais de entrada, temos a entrada menos a saída que resulta no sinal de erro. A saída angular é de fato um ângulo que corresponde à direção que o prato está apontando. Na compra para usar o ângulo em nosso sistema de controle, o potenciômetro no melhor (transdutor de saída) converte esse ângulo a uma tensão que é enviada para a junção de soma. Essa junção é responsável por comparar o controle do usuário e garantir que a ação seja tirada até que a posição real corresponda.
Modificando o sistema
Se soubermos que o comportamento do sistema é dirigir o sinal de erro para zero, então temos duas maneiras de medir a saída do sistema. Reação transitória e erro estável do estado podem ser medidos para avaliar o resultado do nosso sistema de controle e modificá-lo de acordo.
A reação transitória é a reação do sinal a uma alteração no sistema, que pode ser vista no enredo de reação passo à direita à direita. Existem 3 tipos de transientes que podem ser classificados pelo tipo de taxa de amortecimento usado: excessivamente amortecido, subjimidado e criticamente amortecido. O objetivo sendo uma reação tão próxima possível quanto possível.
Podemos imaginar o significado do erro transitório e estável, se olharmos para a reação de plotagem como uma representação de um elevador indo do porão para o primeiro andar. A oscilação subjaciada certamente será um problema e, possivelmente, causar alguns estômagos desconfortáveis ao longo do caminho, à medida que o elevador de excesso de velocidade ultrapassa o piso e supercompense na direção oposta, repetidamente. O elevador excessivamente úmido nos levará lá de uma forma muito suave, eventualmente. A reação criticamente amortecida é mostrada em vermelho e definido como o sinal de fixação mais rápido sem oscilação.
Em relação ao braço robótico que eu caí e me perguntei por que isso era possível, podemos ver uma resposta a essa pergunta no enredo da reação do passo. É possível que eu estivesse controlando um sistema subjaciente e o braço caiu no ultrapassagem do primeiro meio ciclo de oscilação, como visto pela linha azul no enredo.
Simulação de antena interativa (controle de ganho)
Neste exemplo, não há erro de estado estável introduzido. Erro estável no cenário do elevador resultaria nas portas do elevador que se abrem em algum lugar entre as pisos 1 e 2. Tinha sido o caso que lidaríamos com o erro estável do Estado, alterando nosso controlador para que as portas se abram no chão 1.
Clicar na captura de tela da Simulação de Antena para a esquerda irá levá-lo para o simulador interativo em uma nova guia (requer Flash). You can play with the value of the acquire to see how it changes the output response. Hint: you have to hit the rewind button to start a new simulation.
Função de transferência
A transfer function is similar in concept to the acquire of a system and is defined as the ratio of output to input. We use the term transfer function instead of acquire in reference to a control system as it implies the use of the s-domain (I realize that I have not introduced what the hell an “s-domain” is but lets neglect this for now as it will be explained in a separate article) to get a desired reaction from a system.
The block diagram as we have drawn it includes a lot of information about the control system, the main thing it lacks is the maths required to model the system. The transfer function is where the math could be found and in our system is the combination of the controller (math) and the plant (more math).
Controller & Plant
The controller includes the mathematical models of amplifiers for the signals and the power to drive the large motor. The plant includes mathematical models that represent the specs of our motor which would be readily available in a real woSituação RLD e incluir coisas como o RPM do motor em uma certa tensão e a resistência do motor. Também precisaríamos de informações sobre a relação de engrenagem entre o motor e o satélite (este é um amplificador mecânico). O motor terá uma carga mecânica durante a operação e podemos prever o que isso será com uma equação equivalente de carga mecânica que usa: amortecimento viscoso equivalente da carga, e a inércia de carga equivalente. De acordo com nosso tema menos matemática dessa introdução, vamos pular o que isso implica matematicamente por enquanto.
Pensamentos finais
A intenção deste pequeno artigo é derramar alguma luz sobre quais sistemas de controle são e uma ideia básica de como funcionam. Eu acho que os sistemas de controle são interessantes e excitantes em que podemos calcular algumas das variáveis para usar em sistemas complexos, em vez de tirar palpites selvagens em incógnitas não triviais (que costumavam ser meu atolamento).
Nós, como hackers e engenheiros aprendemos em uma curva, como faz o resto da população e assim como todo mundo, em alguns casos, chegamos a um planalto em nossa capacidade de tornar as melhorias em nossos próprios desenhos. Eu acho que uma compreensão básica dos sistemas de controle poderia ajudar muitos de nós a passar por essa queda. Eu tentarei fazer você o mesmo favor meu amigo fez por mim ao abrir meus olhos para o que é um sistema de controle, como avaliar o que está acontecendo em um sistema, e todos ficaremos um pouco melhor no desenvolvimento de nossos próprios sistemas ao longo o caminho.
O que esperar da próxima vez
Na próxima edição do Beyond Control, olharemos alguns exemplos de sistemas elétricos no domínio do tempo. Vamos falar sobre suas funções de transferência no domínio S, por que precisamos do domínio S e o que é preciso para ir do domínio do tempo para o domínio S (e de volta). Essas são duas frases de mim dizendo matemática, sem dizer matemática. Vejo você na próxima vez!