Podstawowe zasady.

Z nielicznymi i stosunkowo nieistotnymi wyjątkami, wszystkie współczesne systemy sterowania mają dwie podstawowe cechy wspólne. Można je opisać następująco: (1) Wartość kontrolowanej wielkości jest zmieniana przez silnik (to słowo jest używane w uogólnionym sensie), który czerpie swoją moc z lokalnego źródła, a nie z przychodzącego sygnału. W ten sposób dostępna jest duża ilość energii do wprowadzania koniecznych zmian wielkości regulowanej oraz do zapewnienia, że operacje zmiany wielkości regulowanej nie obciążają i nie zniekształcają sygnałów, od których zależy dokładność regulacji. (2) Szybkość, z jaką energia jest dostarczana do silnika w celu wywołania zmian wartości wielkości regulowanej, jest określana mniej lub bardziej bezpośrednio przez pewną funkcję różnicy między rzeczywistą a pożądaną wartością wielkości regulowanej. Tak więc, na przykład, w przypadku termostatycznego systemu grzewczego, dostawa paliwa do pieca jest określona przez to, czy rzeczywista temperatura jest wyższa czy niższa od temperatury pożądanej. Układ sterowania posiadający te podstawowe cechy nazywany jest układem sterowania w pętli zamkniętej lub serwomechanizmem (patrz rysunek). Układy sterowania z otwartą pętlą są układami ze sprzężeniem zwrotnym.

Stabilność układu sterowania jest określana w dużym stopniu przez jego odpowiedź na nagle przyłożony sygnał, czyli stan przejściowy. Jeżeli taki sygnał spowoduje, że system sam się przekoryguje, może wystąpić zjawisko zwane polowaniem, w którym system najpierw przekoryguje się w jednym kierunku, a następnie przekoryguje się w kierunku przeciwnym. Ponieważ polowanie jest niepożądane, zwykle podejmuje się środki mające na celu jego skorygowanie. Najczęstszym środkiem korygującym jest dodanie tłumienia gdzieś w systemie. Tłumienie spowalnia odpowiedź systemu i pozwala uniknąć nadmiernych przekroczeń lub nadmiernych korekt. Tłumienie może być w postaci oporu elektrycznego w obwodzie elektronicznym, zastosowanie hamulca w obwodzie mechanicznym, lub wymuszenie oleju przez małą kryzę, jak w amortyzatorach.

Inną metodą zapewnienia stabilności systemu sterowania jest określenie jego odpowiedzi częstotliwościowej, tj. jego odpowiedzi na stale zmieniający się sygnał wejściowy przy różnych częstotliwościach. Wyjście systemu sterowania jest następnie porównywane z wejściem w odniesieniu do amplitudy i fazy, tj. stopnia, w jakim sygnały wejściowe i wyjściowe są rozbieżne. Odpowiedź częstotliwościowa może być albo określona doświadczalnie – szczególnie w systemach elektrycznych – albo obliczona matematycznie, jeśli znane są stałe systemu. Obliczenia matematyczne są szczególnie przydatne dla systemów, które mogą być opisane przez zwykłe liniowe równania różniczkowe. Skróty graficzne również bardzo pomagają w badaniu odpowiedzi systemu.

Kilka innych technik wchodzi do projektowania zaawansowanych systemów sterowania. Adaptacyjna kontrola jest zdolność systemu do modyfikowania własnego działania, aby osiągnąć najlepszy możliwy tryb pracy. Ogólna definicja sterowania adaptacyjnego zakłada, że system adaptacyjny musi być zdolny do wykonywania następujących funkcji: dostarczanie ciągłych informacji o aktualnym stanie systemu lub identyfikacja procesu; porównywanie aktualnego działania systemu z pożądanym lub optymalnym działaniem i podejmowanie decyzji o zmianie systemu w celu osiągnięcia zdefiniowanego optymalnego działania; oraz inicjowanie odpowiedniej modyfikacji w celu doprowadzenia systemu sterowania do optimum. Te trzy zasady – identyfikacja, decyzja, i modyfikacja – są nieodłączne w każdym systemie adaptacyjnym.

Dynamiczna-optymalizująca kontrola wymaga, aby system kontroli działał w taki sposób, że określone kryterium wydajności jest spełnione. Kryterium to jest zazwyczaj sformułowane w taki sposób, że kontrolowany system musi przejść z pierwotnej do nowej pozycji w minimalnym możliwym czasie lub przy minimalnym koszcie całkowitym.

Uczący się system kontroli zakłada, że system kontroli zawiera wystarczającą zdolność obliczeniową, aby mógł rozwinąć reprezentacje modelu matematycznego kontrolowanego systemu i może zmodyfikować własne działanie, aby wykorzystać tę nowo rozwiniętą wiedzę. Tak więc, system kontroli uczenia się jest dalszy rozwój adaptacyjnego kontrolera.

Multivariable-noninteracting kontrola obejmuje duże systemy, w których wielkość wewnętrznych zmiennych zależy od wartości innych powiązanych zmiennych procesu. Dlatego techniki pojedynczej pętli klasycznej teorii sterowania nie wystarczą. Aby opracować odpowiednie systemy kontroli dla takich procesów, należy zastosować bardziej zaawansowane techniki.

.