2 Открытый контур управления

Открытый контур управления - конфигурация без обратной связи, т.е. связь ряда нескольких  передающих элементов.

Управление в открытом контуре – это управление в системе, где один или несколько входных переменных влияют на выходные переменные по законам, уникальным для системы (DIN 19 226).

Открытый контур управления – процесс  в системе, где  одна или несколько переменных в качестве входных переменных воздействуют на другие переменные (как выходные переменные) по законам, уникальным для системы (от DIN 19 226, раздел 1,  Mарт 1984).

Разомкнутое (открытое) управление

Согласно DIN 19226 процесс, имеющий место в системе, где один или несколько переменных в качестве переменной процесса (PV) оказывают влияние на другие переменные в качестве выходных переменных по законам, характеризующим эту систему, -  открытой природы, т.е. выходные величины не вляют на входные величины.

В разомкнутых системах регулирование осуществляется независимо от  получаемого резулытата.

Принципиальный недостаток этой системы – необходимость измерения возмущающих воздействий. Поскольку многие реальные объекты регулирования подвержены таким возмущающим воздействиям, которые невозможно учесть и измерить, то разомкнутые системы не в состоянии обеспечить заданную точность. 

 Пример 1

Расход устанавливается положением вентиля. При постоянном приложенном давлении расход пропорционален положению вентиля. Отношение между положением вентиля и расходом может быть определено уравнениями или экспериментально.

Результаты в отношении системы, состоящей из «вентиля» с выходной переменной «расход» и входной переменной «установка вентиля»:

Рис. 1 Разомкнутая система

Резервуар с водой должен быть установлен при постоянной температуре. Вода нагревается паром, протекающем по трубе. Скорость потока пара может устанавливаться вентилем.

Задача реализуется в управляемой системе с входным параметром «температура в резервуаре»  и выходным параметром «позиция управляемого вентиля».

Эта система может управляться регулирующим воздействием вентиля. Это позволяет достичь желаемого расхода. Но если давление начинает изменяться, то расход тоже испытывает флуктуации (колебания). В этой «открытой» системе регулирование должно выполняться вручную. Если  регулирование должно выполняться автоматически, система должна быть с замкнутым контуром – закрытая.

 Последовательность в этой системе управления:

• Позиция вентиля влияет на скорость потока (расход) внутри трубы.

• Количество пара определяет количество теплоты, проходящее через ванну.

• Температура в ванне растёт, если поступление теплоты больше, чем потери теплоты.

• Температура в ванне убывает, если поступление теплоты меньше, чем потери теплоты.

 Эта последовательность даёт отношение между входными и выходными параметрами.

 Достоинство создания систем с определением входных и выходных параметров и представление этих систем как блока – это то, что такое представление отделяет проблему упавления от специфики оборудования и позволяет видеть проблему создания управляемой системы. Все разновидности управляемых систем демонстрируют такие свойства и могут быть рассмотрены таким же образом

 Пример 2

 Способ действия без обратной связи приблизительно можно описать следующим образом. Непосредственно комната и нагреватели, которыми она оборудована, являются частью процесса управляющего воздействия, и составляют, так называемую незамкнутую регулируемую систему.

Рис. 2 Открытый контур управления температуры комнаты

 Рисунок демонстрирует принцип контроля температуры комнаты в открытом контуре, используя наружную температуру. Если возмущения возникают (например, кто - то открывает окно в холодный день или есть другой сильный источник высокой температуры в комнате), то блок управления не в состоянии "регистрировать" что - нибудь и таким образом не может исправить или устранить вызванные температурные отклонения.

Наружная температура θ₀ измеряется с помощью  термометра, и эта величина подается к блоку управления . Блок управления задает установки на клапане (управляемая переменная) на основании показаний температуры окружающей среды и желаемой или установленной температуры. Больший или меньший поток тепла (нагревающий среду) генерируется как функция установок клапана. Это приводит к большей или меньшей степени увеличения комнатной температуры x.

Открытая система управления неспособна противодействовать внешнему возмущению. В результате возникновение возмущения (включающий вентилятор z₁) приводит к отклонению переменной процесса (температура) от желательной величины. Это отклонение становится больше более сильное отклонение (в этом случае скорость вентилятора увеличивается и таким образом увеличивается его эффект охлаждения).

Схема действия автоматической системы управления согласно DIN 19226

Для еще более четкого описания  зависимостей это описание может быть представлено в виде блок-схемы:

Рис. 3 Разомкнутая система управления

 Данная блок-схема имеет характерную структуру управления без обратной связи. Мы имеем воздействие управления без обратной связи на один передаточный элемент или на целую цепочку передаточных элементов.

Фактическая целевая переменная (в нашем примере комнатная температура) не измеряется; и следовательно блок управления не может выявить каких-либо отклонений от заданных установок,  и соответственно не может реагировать. Это - решающий недостаток управления без обратной связи.

 Блок управления в основном настроен таким образом, чтобы  контур управления работал "разумно" при определенных условиях. Если эти условия изменяются (например, если нагреватели заменены на более мощные), реакция системы ухудшается. При возникновении помех (например, открытое окно, переменная помех z₂), блок управления не способен ее обнаружить. По этой причине возникает  беспрепятственное понижение комнатной температуры .

Напротив, замкнутая система управления с отрицательной обратной связью изобра­жена на рис. 4.

 Рис. 4 Замкнутая система управления с отрицательной обратной связью

В замкнутой системе управления происходит измерение выходного сигнала и сравнение с его желаемым значением, в результате чего образуется сигнал ошибки, используемый для управления объектом.

 Чувствительность систем управления к изменению параметров

 Объект управления, представленный передаточной функцией, какова бы ни была его природа, подвержен влиянию окружающей среды, старению, отсутствию точной информа­ции о его параметрах и других объективных факторов, которые негативно сказываются на его поведении.

В разомкнутой системе все эти факторы приводят к отклонению выходной переменной от желаемого значения. Поэтому чувствительность системы управления к изменению парамет­ров есть вопрос первостепенной важности.

 Примером разомкнутой системы является  простая измерительная цепь.