Integrerende vs. Zelfregulerende Processen: Kernprincipes & Toepassingen

Een proces dat integrerend van aard is, neigt ertoe een output te produceren die evenredig is aan de lopende totaal van invoerwaarden die over de tijd geaccumuleerd zijn. Als de invoer negatief wordt, dan zou het proces een evenredige daling in amplitude brengen, de output verlagend. Bijvoorbeeld, voor een watertank, zou de invoer het hoeveelheid vloeistof zijn die in stroomt, terwijl de output het waterpeil is dat de tank gehandhaafd heeft. Zolang de invoer positief blijft, zal het waterpeil blijven stijgen, maar wanneer de invoer negatief wordt (meer uitstroom dan instroom), zal het outputpeil dalen.

Laten we nu de operatie van een servomotor overwegen. De invoerspanning over de motor bepaalt zijn koppel, wat dan de last versnelt. De rotatie is continu zolang de invoerspanning non-nul is en de positie van de last is afhankelijk van de geaccumuleerde rotaties. Als de invoerspanning negatief wordt, begint de as achteruit te draaien en daalt de uitgangspositie. Het gedrag van zowel watertank als servomotor is vergelijkbaar, aangezien beide entiteiten hun outputpeil handhaven zolang de invoer non-negatief is.

Alle integrerende processen gedragen zich op deze manier. Invoeren worden geaccumuleerd en verdeeld naar de omringende omgevingen. De snelheid waarmee deze twee processen plaatsvinden hangt af van de machine die gecontroleerd wordt alsook fysieke factoren zoals wrijving, weerstand en inertie. Maar eenmaal een invoer aan het systeem toegevoegd, bestaat het tot een negatieve waarde het annuleert.

Niet-integrerende Processen

Overweeg een lekkende watertank. Deze zal blijven water verliezen ongeacht wat de invoer is. Op dezelfde manier, een servomotor die roteert tegen een torsieveer, zal blijven positie verliezen ongeacht wat de waarde van de spanning is. Zulke processen kunnen een evenwichtspunt bereiken waar toevoegingen gecompenseerd kunnen worden door onvoorspelbare verliezen. Bijvoorbeeld, het zou onmogelijk zijn voor een tank met verschillende lekkages om een outputpeil te hebben boven een bepaald punt. Deze processen zijn niet-integrerend, accumulerend hun invoeren maar slechts bereikend een bepaald punt dat een evenwicht is tussen in- en uitstroom.

Het moet genoteerd worden dat er slechts enkele integrerende processen zijn die geen spontane verliezen bezitten, terwijl sommige niet-integrerende processen een redelijk lange tijdsconstanten hebben, wat het moeilijk maakt voor hen om het evenwichtspunt te bereiken. Dit vervaagt de lijn tussen de twee.

Een Controller Selecteren

De taak van een besturingstechnicus is om de aard van het proces te identificeren en tot welk uiteinde van het spectrum het behoort. Dit stelt hem/haar in staat om een besturingsstrategie te kiezen die geschikt is voor het proces. Het regelen van een niet-integrerend proces is eenvoudiger, aangezien het evenwichtspunt een natuurlijke limiet oplegt aan de output. De controller hoeft niet door het vervelende proces te gaan van het vinden van de juiste invoer.

Het is om deze reden dat niet-integrerende processen soms zelfregulerend genoemd worden, vanwege hun vermogen om een toestand van evenwicht te bereiken zonder de noodzaak voor interventie van de controller. Niettemin, de inspanningen van een feedback controller zijn nog steeds vereist om de invoer van het proces te verhogen/verlagen indien de noodzaak zich voordoet.

Traditionele PI en PID controllers zijn ontworpen om met zowel integrerende als zelfregulerende processen te werken; de configuratie verschilt echter. Meeste afstempelregels rekening houden met beide processen, formules biedend door middel waarvan de P, I en D parameters van de controller berekend kunnen worden.

Soms kan zelfs een simpele P-controller aan de eisen van een integrerend proces voldoen door de accumulatie die doorgaat. Dit geeft de controller dezelfde kenmerken als de integrator in een PI of PID controller. Ook, als het doel van de controller is om de grootte van de invoer te identificeren die vereist is om de output te forceren om met een specifieke setpoint te matchen, dan is een P-controller goed geschikt.

Hetzelfde kan niet gezegd worden voor niet-integrerende processen, aangezien een P-controller kan opgeven voordat de output de setpoint benadert. Dit zal leiden tot een steady-state fout die zichzelf handhaaft zelfs als de controller probeert te compenseren voor de belastingstoornis. Deze fouten kunnen ook integrerende processen beïnvloeden en zijn door fysische parameters zoals varierende dichtheid van vloeistof.