Řídící systém je v teorii ovládání zařízení nebo soubor zařízení, které řídí, řídí, řídí nebo reguluje chování jiných zařízení nebo systémů.
Existují dvě běžné třídy řídicích systémů s mnoha variacemi a kombinacemi: logické nebo sekvenční řízení a zpětné nebo lineární řízení. Existuje také fuzzy logika, která se pokouší kombinovat některé konstrukční jednoduchosti logiky s využitím lineárního řízení. Některá zařízení nebo systémy jsou ze své podstaty neovladatelné.
Pojem „řídicí systém“ lze aplikovat na v podstatě manuální ovládání, které umožňuje obsluze například zavřít a otevřít hydraulický lis, možná včetně logiky, takže s ním nelze hýbat, pokud nejsou na místě bezpečnostní kryty.
Automatický sekvenční řídicí systém může spustit sérii mechanických aktuátorů ve správném pořadí k provedení úkolu. Například různé elektrické a pneumatické snímače mohou skládat a lepit lepenkovou krabici, plnit ji výrobkem a pak ji zapečetit do automatického balicího stroje.
V případě lineárních zpětnovazebních systémů je řídicí smyčka, včetně senzorů, řídicích algoritmů a akčních členů, uspořádána tak, aby se pokusila regulovat proměnnou v nastaveném bodě nebo referenční hodnotě. Příkladem může být zvýšení dodávky paliva do pece při poklesu naměřené teploty. Regulátory PID jsou běžné a účinné v případech, jako je tento. Řídicí systémy, které zahrnují určité snímání výsledků, kterých se snaží dosáhnout, využívají zpětnou vazbu, a tak se mohou do určité míry přizpůsobit různým okolnostem. Řídicí systémy s otevřenou smyčkou zpětnou vazbu nevyužívají a fungují pouze předem připravenými způsoby.
Logické řídicí systémy průmyslových a komerčních strojů byly historicky implementovány na síťové napětí pomocí propojených relé, navržených pomocí žebříkové logiky. Dnes je většina takových systémů konstruována pomocí programovatelných logických ovladačů (PLC) nebo mikrokontrolérů. Zápis žebříkové logiky se stále používá jako programovací idiom pro PLC.
Příkladem mohou být výtahy, pračky a další systémy se vzájemně souvisejícími stop-go provozy.
Logické systémy se poměrně snadno navrhují a zvládnou velmi složité operace. Některé aspekty návrhu logických systémů využívají logickou logiku.
Například termostat je jednoduchá kontrola negativní zpětné vazby: když teplota (procesní veličina neboli PV) klesne pod nastavený bod (SP), topení se zapne. Jiným příkladem může být tlakový spínač na vzduchovém kompresoru: když tlak (PV) klesne pod prahovou hodnotu (SP), čerpadlo je napájeno. Chladničky a vývěvy obsahují podobné mechanismy fungující obráceně, ale stále poskytují negativní zpětnou vazbu k nápravě chyb.
Jednoduché systémy pro řízení zpětné vazby on-off, jako jsou tyto, jsou levné a efektivní. V některých případech, jako například u jednoduchého kompresoru, mohou představovat dobrou konstrukční volbu.
Ve většině aplikací zpětnovazebního řízení zapnuto-vypnuto je třeba vzít v úvahu i další náklady, jako je opotřebení regulačních ventilů a možná i další náklady na nastartování při opětovném nasazení energie při každém poklesu fotovoltaiky. Proto jsou praktické řídicí systémy zapnuto-vypnuto konstruovány tak, aby zahrnovaly hysterezi, obvykle ve formě výpadku, tedy oblasti kolem hodnoty nastaveného bodu, ve které nedochází k žádné ovládací činnosti. Šířka výpadku může být nastavitelná nebo programovatelná.
Lineární řídicí systémy používají lineární negativní zpětnou vazbu k vytvoření řídicího signálu matematicky založeného na jiných proměnných s cílem udržet řízený proces v přijatelném pracovním rozsahu.
Výstup z lineárního řídicího systému do řízeného procesu může být ve formě přímo variabilního signálu, například ventilu, který může být 0 nebo 100% otevřený nebo kdekoliv mezi tím. Někdy to není proveditelné, a tak po výpočtu aktuálně požadovaného korekčního signálu může lineární řídicí systém opakovaně zapnout a pak opět zcela vypnout aktuátor, například čerpadlo, motor nebo topení, a regulovat pracovní cyklus pomocí modulace šířky impulsu.
Při regulaci teploty průmyslové pece je obvykle lepší řídit otevření palivového ventilu v poměru k aktuálním potřebám pece. To pomáhá předcházet tepelným šokům a efektivněji aplikovat teplo.
Proporcionální systémy negativní zpětné vazby jsou založeny na rozdílu mezi požadovaným nastaveným bodem (SP) a procesní hodnotou (PV). Tento rozdíl se nazývá chyba. Výkon se aplikuje v přímé úměře k aktuálně naměřené chybě, ve správném smyslu tak, aby měl tendenci snižovat chybu (a tak se vyhýbat pozitivní zpětné vazbě). Množství nápravného opatření, které se aplikuje na danou chybu, je dáno ziskem nebo citlivostí řídicího systému.
Při nízkých ziscích se při zjištění chyb uplatní pouze malé nápravné opatření: systém může být bezpečný a stabilní, ale může být liknavý v reakci na měnící se podmínky; chyby zůstanou neopravené po relativně dlouhou dobu: je přetlumen. Pokud se zvýší poměrný zisk, takové systémy budou více reagovat a chyby se rychleji řeší. Optimální hodnota pro nastavení zisku existuje, když se o celkovém systému říká, že je kriticky utlumen. Zvýšení zisku smyčky za tímto bodem povede k oscilacím ve fotovoltaice; takový systém je nedostatečně utlumen.
Příklad podchlazené pece
V příkladu pece předpokládejme, že se teplota zvyšuje směrem k nastavenému bodu, ve kterém bude třeba řekněme 50% dostupného výkonu pro ustálený stav. Při nízkých teplotách se aplikuje 100% dostupného výkonu. Když je PV v rozmezí, řekněme 10° od SP, začne se úměrným regulátorem snižovat tepelný příkon. (Všimněte si, že to znamená 20° „úměrné pásmo“ (PB) od plného příkonu po nulový, rovnoměrně rozložené kolem hodnoty nastaveného bodu). V nastaveném bodu bude regulátor aplikovat 50% výkonu podle potřeby, ale zatoulané uložené teplo v podsystému ohřívače a ve stěnách pece udrží naměřenou teplotu stoupající nad požadovanou hodnotu. V 10° nad SP se dostaneme na vrchol úměrného pásma (PB) a nepůsobí se žádný výkon, ale teplota může ještě dále stoupat, než začne klesat zpět. Nakonec, když PV spadne zpět do PB, teplo se aplikuje znovu, ale nyní jsou ohřívač a stěny pece příliš chladné a teplota klesá příliš nízko, než se jeho pád zastaví, takže oscilace pokračují.
Příklad přetlumené pece
Teplotní oscilace, které nedostatečně utlumený řídicí systém pece produkuje, jsou nepřijatelné z mnoha důvodů, včetně plýtvání palivem a časem (každý oscilační cyklus může trvat mnoho minut), stejně jako pravděpodobnost vážného přehřátí pece i jejího obsahu.
Předpokládejme, že zisk řídicího systému je drasticky snížen a je znovu spuštěn. Jak se teplota blíží, řekněme 30° pod SP (nyní 60° proporcionální pásmo neboli PB), začíná se snižovat tepelný příkon, rychlost ohřevu pece má čas zpomalit, a jak je teplo stále dále snižováno, je nakonec přivedeno až do stanoveného bodu, stejně jako je dosaženo 50% příkonu a pec pracuje podle potřeby. Sice došlo k určité ztrátě času, zatímco se pec plížila na konečnou teplotu pouze za použití 52% oproti 51% dostupného výkonu, ale alespoň nedošlo k žádné škodě. Pečlivým zvýšením zisku (tj. snížením šířky PB) lze toto přetlumené a pomalé chování zlepšit, dokud není systém kriticky utlumen pro tuto SP teplotu. Tomu se říká „naladění“ řídicího systému. Dobře vyladěný systém proporcionální regulace teploty pece bude obvykle účinnější než řízení zapnuto-vypnuto, ale bude stále reagovat pomaleji, než by pec mohla pod zručným ručním řízením.
Blokové schéma PID řadiče
Kromě pomalého výkonu, aby nedocházelo k oscilacím, je dalším problémem s proporcionálním ovládáním to, že příkon je vždy v přímé úměře k chybě. Ve výše uvedeném příkladu jsme předpokládali, že nastavenou teplotu lze udržovat s 50% příkonem. Co se stane, pokud je pec požadována v jiné aplikaci, kde vyšší nastavená teplota bude vyžadovat 80% příkonu k jejímu udržení? Pokud byl zisk nakonec nastaven na 50° PB, pak 80% příkonu nebude použito, pokud pec není o 15° pod nastaveným bodem, takže pro tuto jinou aplikaci budou muset operátoři pamatovat vždy na nastavení nastavené teploty o 15° vyšší, než je skutečně potřeba. Tato hodnota 15° také není zcela konstantní: bude záviset na okolní teplotě a také na dalších faktorech, které ovlivňují tepelné ztráty z pece nebo absorpci uvnitř pece.
K vyřešení těchto dvou problémů obsahuje mnoho schémat zpětnovazebního řízení matematická rozšíření pro zlepšení výkonu. Nejčastější rozšíření vedou k proporcionálnímu-integrálnímu-derivačnímu řízení, neboli PID řízení (vyslovuje pee-eye-dee).
Derivační část se zabývá rychlostí změny chyby v čase: Pokud se měřená veličina rychle přibližuje k nastavenému bodu, je aktuátor předčasně odsunut, aby mohl naběhnout na požadovanou úroveň; naopak pokud se měřená hodnota začne rychle vzdalovat od nastaveného bodu, je vynaloženo dodatečné úsilí – v poměru k této rychlosti – aby se ji podařilo udržet.
Odvozená činnost nutí řídicí systém chovat se mnohem inteligentněji. Na řídicích systémech, jako je ladění teploty pece nebo třeba řízení pohybu těžkého předmětu, jako je pistole nebo kamera na jedoucím vozidle, může odvozená činnost dobře vyladěného PID regulátoru umožnit dosáhnout a udržet nastavený bod lépe, než by to dokázala většina zkušených lidských operátorů.
Pokud se derivační akce aplikuje nadměrně, může to vést i k oscilacím. Příkladem může být PV, které se rychle zvyšovalo směrem k SP, pak se brzy zastavilo a zdálo se, že se „odklání“ od nastaveného bodu, než opět stoupá směrem k němu.
Integrální pojem zesiluje účinek dlouhodobých chyb ustáleného stavu a vyvíjí stále větší úsilí, dokud se nesníží na nulu. V příkladu pece nad prací při různých teplotách, pokud aplikované teplo nepřináší pec až k bodu nastavení, z jakéhokoli důvodu integrální činnost stále více posouvá proporcionální pásmo vzhledem k bodu nastavení, dokud se chyba fotovoltaiky nesníží na nulu a není dosaženo bodu nastavení.V příkladu pece předpokládejme, že teplota roste směrem k bodu nastavení, ve kterém bude třeba pro ustálený stav řekněme 50% dostupného výkonu. Při nízkých teplotách se použije 100% dostupného výkonu. Když je fotovoltaika v rozmezí řekněme 10° od SP, začne se úměrným regulátorem snižovat tepelný příkon. (Všimněte si, že to znamená 20° „proporcionální pásmo“ (PB) od plného příkonu k nulovému, rovnoměrně rozložené kolem hodnoty bodu nastavení). V nastaveném bodě regulátor aplikuje podle potřeby 50% výkonu, ale zatoulané akumulované teplo v podsystému ohřívače a ve stěnách pece udrží naměřenou teplotu stoupající nad požadovanou hodnotu. Při 10° nad SP se dostaneme na vrchol úměrného pásma (PB) a nepůsobí žádný výkon, ale teplota může ještě dále stoupat, než začne klesat zpět. Nakonec, když fotovoltaika klesne zpět do PB, opět se aplikuje teplo, ale nyní jsou ohřívač a stěny pece příliš chladné a teplota klesá příliš nízko, než se jeho pád zastaví, takže oscilace pokračují.
Je možné filtrovat PV nebo chybový signál. To může snížit odezvu systému na nežádoucí frekvence, což pomůže snížit nestabilitu nebo oscilace. Některé systémy zpětné vazby budou oscilovat jen na jedné frekvenci. Odfiltrováním této frekvence lze aplikovat více „tuhé“ zpětné vazby, čímž systém lépe reaguje, aniž by se sám roztřásl.
Systémy zpětné vazby lze kombinovat. V kaskádovém řízení jedna řídicí smyčka aplikuje řídicí algoritmy na měřenou veličinu proti nastavenému bodu, ale pak poskytuje různý nastavený bod jiné řídicí smyčce, místo aby přímo ovlivňovala procesní veličiny. Pokud má systém několik různých měřených veličin, které mají být řízeny, budou pro každou z nich přítomny samostatné řídicí systémy.
Řídicí inženýrství v mnoha aplikacích produkuje řídicí systémy, které jsou složitější než řízení PID. Příkladem takových oborů jsou řídicí systémy letadel typu fly-by-wire, chemické závody a ropné rafinérie. Modelové prediktivní řídicí systémy jsou navrženy s využitím specializovaného počítačově podporovaného návrhového softwaru a empirických matematických modelů systému, který má být kontrolován.
Fuzzy logika je pokus aplikovat snadnou konstrukci logických ovladačů na ovládání složitých soustavně se měnících systémů. V podstatě může být měření v fuzzy logickém systému částečně pravdivé, to znamená, že pokud ano je 1 a ne je 0, fuzzy měření může být mezi 0 a 1.
Pravidla systému jsou napsána v přirozeném jazyce a přeložena do fuzzy logiky. Například návrh pece by začínal slovy: „Je-li teplota příliš vysoká, snížte palivo do pece. Je-li teplota příliš nízká, zvyšte palivo do pece.“
Měření z reálného světa (například teplota pece) se převádějí na hodnoty mezi 0 a 1 tak, že vidíme, kam dopadají na trojúhelník. Obvykle je vrchol trojúhelníku maximální možnou hodnotou, která se převádí na „1“.
Fuzzyho logika pak upravuje Booleovu logiku tak, aby byla aritmetická. Obvykle operace „ne“ je „výstup = 1 – vstup“, operace „a“ je „výstup = vstup.1 vynásobený vstupem.2“ a „nebo“ je „výstup = 1 – ((1 – vstup.1) vynásobený (1 – vstup.2)“. To se redukuje na Booleovu aritmetiku, pokud jsou hodnoty omezeny na 0 a 1, místo toho, aby se mohly pohybovat v jednotkovém intervalu [0,1].
Posledním krokem je „defuzzifikovat“ výstup. V podstatě fuzzy výpočty tvoří hodnotu mezi nulou a jedničkou. Toto číslo se používá k výběru hodnoty na přímce, jejíž sklon a výška převede fuzzy hodnotu na reálné výstupní číslo. Číslo pak ovládá reálné stroje.
Pokud jsou trojúhelníky definovány správně a pravidla jsou správná, může být výsledkem dobrý kontrolní systém.
Když se robustní fuzzy design zredukuje do jediného, rychlého výpočtu, začne se podobat konvenčnímu řešení smyčky zpětné vazby a mohlo by se zdát, že fuzzy design byl zbytečný. Nicméně fuzzy logika paradigma může poskytovat škálovatelnost pro velké řídicí systémy, kde se konvenční metody stávají těžkopádnými nebo nákladnými na odvození.
Fuzzy elektronika je elektronická technologie, která používá fuzzy logiku místo dvouhodnotové logiky, která se běžně používá v digitální elektronice.
Vzhledem k tomu, že moderní malé mikroprocesory jsou tak levné (často méně než 1 USD), je velmi běžné implementovat řídicí systémy, včetně smyček zpětné vazby, s počítači, často v zabudovaném systému. Ovládání zpětné vazby je simulováno tak, že počítač provádí periodická měření a z tohoto proudu měření pak vypočítává (viz digitální zpracování signálu, ukázkové datové systémy).
Počítače emulují logická zařízení tím, že měří spínací vstupy, z těchto měření vypočítávají logickou funkci a výsledky pak odesílají elektronicky řízeným spínačům.
Logické systémy a řídicí jednotky zpětné vazby jsou obvykle realizovány pomocí programovatelných logických řídicích jednotek, což jsou zařízení dostupná z elektrorozvoden. Zahrnují malý počítač a zjednodušený systém programování. Nejčastěji jsou programovány osobními počítači.
Logické ovladače byly také zkonstruovány z relé, hydraulických a pneumatických zařízení a elektroniky využívající tranzistory i vakuové trubice (tímto způsobem mohou být zkonstruovány i zpětnovazební ovladače).