Ngoài tầm kiểm soát: Những điều cơ bản về các hệ thống điều khiển

là chính xác những gì bạn nghĩ rằng chúng là: các hệ thống được phát triển để kiểm soát một cái gì đó. Có thể là một cách tốt hơn để đặt nó là thiết kế hệ thống kiểm soát hành vi của một cái gì đó. Thuật ngữ “hệ thống kiểm soát” thực hiện một công việc xuất sắc là mơ hồ và nhiều người trong chúng ta (ban đầu) không nghĩ quá nhiều về nó cho đến khi nó mang lại sự chú ý của chúng ta hoặc chúng tôi đâm một phần ứng robot vào chính nó và kiểm tra sự kiện kinh hoàng đó được phép như thế nào để xảy ra. Thông thường trong cuộc điều tra này Hộp thoại nội bộ của chúng tôi có một vòng lặp chạy diễn ra một thứ như: “Tại sao hệ thống sẽ cho phép tôi thao túng nó theo cách tự hủy diệt!?”

Những gì tôi tìm thấy là sự thiếu hiểu biết của riêng tôi, tôi đã không thực hiện một hệ thống kiểm soát thích hợp. Người ta có thể đưa ra một trường hợp tuyên bố rằng tôi đã không đưa bất kỳ hệ thống kiểm soát nào vào tài khoản nào. Tôi nhảy quá sâu, quá nhanh (nghe có vẻ quen thuộc?) Và trả giá đâm một cánh tay quay vào một phần khác của hệ thống. May mắn thay, một người bạn đã bước vào và sửa chữa cánh tay cho tôi và ẩn dụ chỉ vào một dấu hiệu neon lớn trên tường và nói “Bạn không thể coi thường điều này”. Anh bước tới để kéo dây chuyền lủng lẳng dưới dấu hiệu, điện áp cao cung cấp năng lượng cho khí trong các ống làm tôi chói mắt với những từ rõ ràng không thể tránh khỏi: hệ thống kiểm soát.

Bằng chứng về hệ thống kiểm soát

Nguồn: Quả cầu Rove
Có bằng chứng về các hệ thống kiểm soát xung quanh chúng ta, chúng ta sử dụng chúng cả ngày mà không cho họ suy nghĩ. Tôi thức dậy vào giữa đêm trong một bàng hoàng, tôi xua đuổi hành lang như một thây ma cho một ly nước và tôi không bao giờ bỏ lỡ thỏa thuận với tủ với cánh tay dang rộng của mình. Tôi xoay mở cánh cửa vào tủ khoảng cách phù hợp mà không gặp bất kỳ vấn đề và nắm lấy một chiếc cốc bằng tay kia. Tôi làm những việc này mà không tích cực tập trung vào chúng nhưng tuy nhiên, đây là những hệ thống điều khiển. Tôi không vắt kính cho đến khi nó vỡ tan trong tay khi tôi lấy nó từ tủ. Tôi cũng có khả năng bật nước từ vòi, lấp đầy kính, tắt nước, và thứ duy nhất ẩm ướt là bên trong của kính, không phải bàn tay của tôi hoặc thậm chí lưu vực bồn rửa dưới vòi nước. Đây là một ví dụ về nhiều hệ thống kiểm soát phức tạp làm việc hướng tới một ly nước.

Tên lửa bốc cháy và đẩy các vệ tinh vào quỹ đạo của Trái đất, một thang máy mang chúng ta đến tầng mong muốn, hệ thống điều khiển ở khắp mọi nơi. Họ đã ở đây vì mãi mãi và có thể được nhìn thấy trong một số tổ tiên thân của chúng tôi (tôi nghĩ rằng tôi chỉ cần đặt ra cụm từ đó) nhiều công việc đáng chú ý.

300 B.C. Các nhà toán học Hy Lạp và người sáng tạo Ktesibios tạo ra một đồng hồ nước sử dụng hệ thống điều khiển với nước như một đầu vào và thời gian như một đầu ra. tất cả mọi thứ ở giữa nước và thời gian là hệ thống kiểm soát.

Cải thiện các thiết kế cối xay gió trước đó, năm 1809 William Cubitt đã tạo ra những cánh buồm cối xay gió với các cửa chớp tự động được điều chỉnh bởi tốc độ gió và trọng lượng, đây là hệ thống điều khiển. Gió là năng lượng quay đầu vào và không đổi là đầu ra.

Nguồn: Cối xay gió Shipley
Để quan sát một hệ thống hiện có và điểm ở đầu vào và đầu ra nêu rõ “nước, hết thời gian, mọi thứ ở giữa chúng là một hệ thống điều khiển” không thảo luận về cách hệ thống điều khiển hoạt động hoặc được phát triển nhưng chúng tôi đang ở đó. Những phát minh này yêu cầu một số toán học khá phức tạp và chúng ta sẽ đến đó trong một bài viết ngắn tiếp theo nhưng bây giờ chúng ta đang đặt một cơ sở hiểu biết. Chúng tôi đã xem xét một vài ví dụ về các hệ thống kiểm soát trong tự nhiên và một vài hệ thống kiểm soát nhân tạo. Tôi đã chia sẻ sự thiếu hiểu biết của mình về các hệ thống kiểm soát của mình và sau đó cố gắng chuộc lỗi bằng cách nói với bạn rằng tôi có thể lấp đầy một ly nước.

Chúng tôi cũng sẽ có một cái nhìn về một số sơ đồ khối và tôi nên thận trọng rằng tại một số điểm, chúng tôi sẽ gặp một số toán học mà bạn sẽ không bao giờ muốn gặp lại. May mắn thay, điều đầu tiên chúng ta sẽ làm khi thấy những điều toán học khủng khiếp này sẽ đưa ra một kế hoạch để có được địa ngục ra khỏi đó. Một khi chúng ta an toàn khỏi những tác vụ gây hại, chúng ta sẽ chăm sóc một số hoạt động đơn giản hơn I.E. Chúng tôi sẽ thực hiện một chút đại số thay vì tính toán và phương trình vi phân. Bây giờ hãy đến với tôi, bạn bè, vì sau giờ nghỉ ngơi thực sự bắt đầu.

Sơ đồ khối

Đối với mục đích của chúng tôi, tôi đã soạn thảo một phiên bản quá mức của một hệ thống điều khiển đầu vào, đầu ra duy nhất (SISO). Sơ đồ khối là hệ thống điều khiển. Chúng ta có thể thao túng nó với đại số và giới thiệu các thành phần mới khi cần thiết để có được đầu ra mong muốn. Tuy nhiên, chúng tôi sẽ nhanh chóng thay thế các nhãn chenteric này bằng nhãn mô tả tốt hơn các yếu tố của hệ thống. Chúng tôi cũng sẽ phá vỡ khối “Hệ thống điều khiển” thành nhiều khối tạo nên hệ thống. Bạn có thể nghĩ về sơ đồ này là mô tả cấp cao mà bạn sẽ cung cấp cho một đứa trẻ, hãy nhớ “nước trong, hết thời gian, mọi thứ ở giữa chúng là một hệ thống kiểm soát”. Bit tiếp theo là một chút toàn diện hơn nhưng vẫn mang tính biểu tượng ở chỗ chúng ta không xem xét các thành phần toán học của mỗi khối vẫn chưa.

Hãy tạo một ví dụ về một hệ thống kiểm soát cụ thể mà chúng tôi hypotequen biết muốn thiết kế. Làm thế nào về một đĩa vệ tinh lớn? Tốt, nó đã xong. Vì vậy, chúng tôi có một đĩa vệ tinh lớn được xoay bởi một động cơ hướng. Vị trí mong muốn của món ăn là đầu vào với chiết áp mà bộ điều khiển sử dụng để xác định độ lớn và hướng di chuyển cần thiết để đạt được đầu ra mong muốn. Cũng được đưa vào tài khoản là chính động cơ, tải chúng tôi đang di chuyển (đĩa vệ tinh lớn) và cần thiết để làm như vậy. Đầu ra của hệ thống này nên được đưa trở lại đầu vào bởi một thứ gọi (đợi nó), phản hồi. Đường dẫn phản hồi bao gồm chiết áp thứ hai được điều chỉnh là đĩa xoay và đi vào một ngã ba tổng hợp với đầu vào.

Bây giờ chúng ta có thể vẽ một sơ đồ khối mới để thể hiện mô tả toàn diện hơn nhiều về những gì chúng ta gặp phải trong hệ thống này.

Chúng tôi đã thảo luận về các khối chức năng và luồng cơ bản của hệ thống, chúng ta hãy xem các tín hiệu, màu xanh lam trong sơ đồ trên. Đầu vào góc ban đầu là một góc mà chiết áp (đầu dò đầu vào) chuyển đổi thành điện áp. Tại ngã ba tóm tắt, có hai tín hiệu đến và một tín hiệu đi ra ngoài, hai tín hiệu đi vào là điện áp tỷ lệ thuận với đầu vào và điện áp tỷ lệ thuận với đầu ra. Nếu bạn nhận thấy các dấu phân cực trên các tín hiệu đầu vào, chúng ta có đầu vào trừ đi đầu ra dẫn đến tín hiệu lỗi. Đầu ra góc trên thực tế là một góc tương ứng với hướng mà món ăn đang chỉ. Khi mua để sử dụng góc trong hệ thống kiểm soát của chúng tôi, chiết áp trên đầu dò tốt nhất (đầu dò đầu ra) chuyển đổi góc đó thành điện áp được gửi đến ngã ba tổng hợp. Junction đó chịu trách nhiệm so sánh kiểm soát người dùng và đảm bảo hành động được thực hiện cho đến khi vị trí thực tế khớp với nó.

Sửa đổi hệ thống

Nếu chúng ta biết rằng hành vi của hệ thống là thúc đẩy tín hiệu lỗi về 0 thì chúng ta có hai cách để đo đầu ra của hệ thống. Phản ứng thoáng qua và lỗi trạng thái ổn định đều có thể được đo để đánh giá kết quả của hệ thống kiểm soát của chúng tôi và sửa đổi nó cho phù hợp.

Phản ứng thoáng qua là phản ứng của tín hiệu đối với sự thay đổi trong hệ thống, có thể thấy trong cốt truyện phản ứng bước sang phải. Có 3 loại quá cầu có thể được phân loại theo loại tỷ lệ giảm xóc được sử dụng: giảm xóc quá độ, bị xáo trộn dưới dạng giảm xóc. Mục tiêu là một phản ứng gần như bị ẩm cao nhất có thể.

Chúng ta có thể tưởng tượng tầm quan trọng của cả hai lỗi trạng thái thoáng qua và ổn định nếu chúng ta nhìn vào phản ứng cốt truyện như một đại diện của thang máy đi từ tầng hầm đến tầng một. Dao động dưới dạng giảm xóc chắc chắn sẽ là một vấn đề và có thể gây ra một số dạ dày khó chịu trên đường đi khi thang máy tốc độ vượt quá sàn và quá bù theo hướng ngược lại, nhiều lần. Thang máy quá ẩm ướt sẽ đưa chúng ta đến đó trong một thời trang rất suôn sẻ, cuối cùng. Phản ứng ẩm ướt được thể hiện màu đỏ và được xác định là tín hiệu lắng nhanh nhất mà không dao động.

Liên quan đến cánh tay robot mà tôi đã gặp sự cố và tự hỏi tại sao điều này có thể xảy ra, chúng ta có thể thấy một câu trả lời cho câu hỏi đó trong cốt truyện phản ứng bước. Có thể tôi đang kiểm soát một hệ thống ẩm ướt và cánh tay bị rơi trong quá mức của nửa chu kỳ dao động đầu tiên được nhìn thấy bởi dòng màu xanh trong cốt truyện.

Mô phỏng ăng-ten tương tác (Kiểm soát đạt được)
Trong ví dụ này không có bất kỳ lỗi trạng thái ổn định được giới thiệu. Lỗi trạng thái ổn định trong kịch bản thang máy sẽ dẫn đến các cửa thang máy mở ở đâu đó giữa các tầng 1 và 2. Đây là trường hợp chúng ta sẽ giải quyết lỗi trạng thái ổn định bằng cách thay đổi bộ điều khiển của chúng tôi để cửa mở ở tầng 1.

Nhấp vào ảnh chụp màn hình ăng-ten sang trái sẽ đưa bạn đến trình giả lập tương tác trong một tab mới (yêu cầu flash). Bạn có thể chơi với giá trị của việc mua lại để xem cách nó thay đổi phản ứng đầu ra. Gợi ý: Bạn phải nhấn nút Tua lại để bắt đầu một mô phỏng mới.

Chức năng chuyển giao

Một chức năng chuyển tương tự trong khái niệm để thu thập một hệ thống và được định nghĩa là tỷ lệ đầu ra để nhập. Chúng tôi sử dụng chức năng chuyển kỳ hạn thay vì có được liên quan đến hệ thống điều khiển vì nó ngụ ý việc sử dụng tên miền S (tôi nhận ra rằng tôi đã không giới thiệu cái quái gì “S-Domain” là gì nhưng hãy bỏ qua điều này ngay bây giờ như Nó sẽ được giải thích trong một bài viết riêng) để có được một phản ứng mong muốn từ một hệ thống.

Sơ đồ khối như chúng ta đã vẽ nó bao gồm rất nhiều thông tin về hệ thống điều khiển, điều chính mà nó thiếu là toán học cần thiết để mô hình hóa hệ thống. Chức năng chuyển là nơi có thể tìm thấy toán học và trong hệ thống của chúng tôi là sự kết hợp của bộ điều khiển (toán học) và nhà máy (nhiều toán học hơn).

Bộ điều khiển & Nhà máy

Bộ điều khiển bao gồm các mô hình toán học của bộ khuếch đại cho các tín hiệu và sức mạnh để lái động cơ lớn. Nhà máy bao gồm các mô hình toán học đại diện cho thông số kỹ thuật của động cơ của chúng ta sẽ có sẵn trong một wo thực sựTình huống RLD và bao gồm những thứ như vòng / phút của động cơ ở một điện áp nhất định và điện trở của động cơ. Chúng tôi cũng cần thông tin về tỷ lệ bánh răng giữa động cơ và vệ tinh (đây là bộ khuếch đại cơ học). Động cơ sẽ có tải cơ học trong quá trình vận hành và chúng ta có thể dự đoán những gì sẽ có với một phương trình tải cơ học tương đương sử dụng: giảm xóc nhớt tương đương của tải, và quán tính tương đương. Để phù hợp với chủ đề toán học của chúng tôi về phần giới thiệu này, chúng tôi sẽ bỏ qua những gì ngụ ý về mặt toán học cho bây giờ.

Suy nghĩ cuối cùng

Mục đích của bài viết ngắn này là làm sáng tỏ một số ánh sáng về các hệ thống kiểm soát nào và một ý tưởng cơ bản về cách chúng hoạt động. Tôi nghĩ rằng các hệ thống kiểm soát rất thú vị và thú vị ở chỗ chúng ta có thể tính một số biến để sử dụng trong các hệ thống phức tạp thay vì đoán những kẻ vô danh hoang dã (từng là mứt của tôi).

Chúng tôi, vì tin tặc và kỹ sư học trên một đường cong cũng như những người còn lại và giống như những người khác, chúng tôi trong một số trường hợp đạt đến một cao nguyên trong khả năng của chúng tôi để thực hiện các cải tiến trên các thiết kế của chúng tôi. Tôi nghĩ rằng một sự hiểu biết cơ bản về các hệ thống kiểm soát có thể giúp ích rất nhiều chúng ta thông qua sự sụt giảm này. Tôi sẽ cố gắng làm cho bạn cùng một sự ủng hộ bạn bè của tôi đã làm cho tôi mở mắt cho một hệ thống kiểm soát là gì, cách đánh giá những gì đang diễn ra trong một hệ thống và tất cả chúng ta sẽ tốt hơn một chút trong việc phát triển các hệ thống riêng của chúng ta cùng cách.

Những gì mong đợi lần sau

Trong phiên bản tiếp theo vượt quá kiểm soát, chúng tôi sẽ xem xét một số ví dụ về các hệ thống điện trong miền thời gian. Chúng ta sẽ nói về các chức năng chuyển của họ trong miền S, tại sao chúng ta cần tên miền S và những gì cần thiết để đi từ miền thời gian đến miền S (và Quay lại). Đó là hai câu của tôi nói toán, mà không nói toán. Hẹn gặp lại lần sau!