OBRÁZEK 1: Běh pozpátku v přímé dráze. Podobně jako čistě zpětnovazební řídicí prvek může pozpátku běžící běžec vidět pouze místa, kde již byl, to je však pro udržení směru dostatečné. I bez pohledu dopředu je snadné sledovat odchylku od středu dráhy a kompenzovat případný pomalý posun vlevo nebo vpravo.  Čistě zpětnovazební řídicí prvek nemá problém udržovat regulovanou veličinu v blízkosti konstantní žádané hodnoty, je-li jediným narušením pomalý posun. Historická měření regulované veličiny obvykle říkají řídicímu prvku vše, co potřebuje vědět, když je řídicí problém tak snadný. Ilustrace Control Engineering OBRÁZEK 1: Běh pozpátku v přímé dráze. Podobně jako čistě zpětnovazební řídicí prvek může pozpátku běžící běžec vidět pouze místa, kde již byl, to je však pro udržení směru dostatečné. I bez pohledu dopředu je snadné sledovat odchylku od středu dráhy a kompenzovat případný pomalý posun vlevo nebo vpravo. Čistě zpětnovazební řídicí prvek nemá problém udržovat regulovanou veličinu v blízkosti konstantní žádané hodnoty, je-li jediným narušením pomalý posun. Historická měření regulované veličiny obvykle říkají řídicímu prvku vše, co potřebuje vědět, když je řídicí problém tak snadný. Ilustrace Control Engineering

Dopředné řízení, aplikované na proces při omezených a měřitelných narušeních, dokáže udržovat regulovanou veličinu blízko žádané hodnotě.

Tradiční zpětnovazební řízení v mnohém připomíná běh pozpátku. Aniž by se díval na trať, musí se běžec otočený dozadu spoléhat pouze na to, co už má za sebou, aby určil svůj další směr. Při pohledu dozadu se může běžec udržovat ve své dráze pouze úpravou pravolevé polohy, když se okrajové čáry přibližují. Pokud běžec běží příliš rychle, je snadné skončit mimo trať dříve, než se aplikuje korekce směru pohybu (viz obrázek 1).

Průmyslové zpětnovazební řídicí prvky čelí stejné výzvě. Pro udržení řízeného procesu na požadované teplotě, tlaku, průtoku atd. musí čistě zpětnovazební řídicí prvek počkat na výsledky svého působení, pak opravit chyby a podívat se znovu. To obecně není náhodným postupem typu pokus–omyl. Dokonce i když řídicí prvek ví dost o chování procesu, aby mohl provádět kvalifikovaný odhad o potřebných korekcích, vždy se musí tyto korekce provádět až následně.

CTL1904 MAG2 F1 AdvancedControls x2 RunningBackwardsCurveOBRÁZEK 2: Běh pozpátku v oblouku je mnohem náročnější. V okamžiku, kdy si běžec všimne, že oblouk posunul střed dráhy mimo jeho dráhu pohybu, poběží již mimo běžeckou dráhu. Ve znázorněném případě skončí běžec příliš nalevo a pak příliš napravo, když se snaží kompenzovat narušení. Vysoká rychlost běhu vede k další nadměrné kompenzaci tam a zpět, dokud narušení na konci oblouku neskončí. Čistě zpětnovazební řídicí prvek bude vykazovat stejné oscilační chování, pokud byl navržen pro agresivní zásah anebo pokud bude regulovaný proces příliš citlivý na řídicí zásahy. V nejhorším případě nepomůže ani konec narušení. Řídicí prvek může pokračovat v oscilaci mezi plně zapnutým a plně vypnutým stavem a stále znovu a znovu kompenzuje přehnaně.
Proto stejně jako běžec běžící pozpátku musí i čistě zpětnovazební řídicí prvek postupovat obezřetně, aby se vyhnul nadměrnému nebo nedostatečnému korigování minulých chyb. To platí zejména tehdy, když je řídicí prvek navržen s nepřesnými nebo neúplnými znalostmi o chování procesu. Pokud řídicí prvek nedokáže předpovědět možný dopad svých současných regulačních zásahů, nemá jinou možnost než jednat konzervativně v delším časovém intervalu než agresivně v kratším intervalu (viz obrázek 2).

Dívejte se dopředu, ne zpět

Zřejmé řešení dilematu běžce je otočit se a dívat se za běhu dopředu spíše než dozadu. S lepší znalostí nadcházejících oblouků bude běžec hledící dopředu schopen aplikovat mnohem informovanější korekce směru a bude moci běžet mnohem rychleji.

CTL1904 MAG2 F1 AdvancedControls x3 RunningForwardsOBRÁZEK 3: Běh vpřed v přímé dráze je snadný. S výhledem dopředu na dráhu může běžec vyrovnat téměř okamžitě jakýkoli pomalý posun doleva nebo doprava, a to i když sprintuje nejvyšší rychlostí. V zásadě stejným způsobem může dopředný řídicí prvek aplikovaný na proces při omezených a měřitelných narušeních dostatečně snadno udržovat regulovanou veličinu blízko žádané hodnotě. Běh vpřed obloukem není o mnoho těžší. Běžec může vizuálně posuzovat jakákoli nadcházející narušení (oblouky), předvídat jejich vliv na budoucí trajektorii a provádět korekce kurzu, když jsou potřeba – nikoli až posléze. Včasná informovanost umožňuje dopředu hledícímu běžci běžet obloukem mnohem rychleji a s mnohem menší chybou, než by dokázal dozadu hledící běžec. Včasná informovanost umožňuje dopřednému řídicímu prvku být agresivnější a přesnější. Pokud řídicí prvek dokáže správně předvídat, jak bude narušení ovlivňovat regulovanou veličinu a jak tento vliv kompenzovat, může si řídicí prvek dovolit použít asertivnější regulační zásahy. Tímto způsobem dokáže omezit dopady nadcházejícího narušení, stejně jako běžec dokáže zůstat ve středu dráhy při předvídání nadcházejících oblouků.
Pozorný běžec může také sledovat trať a přijmout preventivní opatření, aby zůstal uprostřed dráhy, když je vidět blížící se oblouk. Běžec může začít zatáčet doleva přesně podle potřeby, jak je znázorněno v diagramu „Běh vpřed“ na obrázku 3.

Procesní řídicí prvek vybavený senzory schopnými měřit předzvěsti nadcházejících narušení může pracovat rychleji a preventivně. Nemusí čekat na výsledky předchozích regulačních zásahů, které se objevují v měřeních. Senzory a řídicí prvky spolupracují na sledování přicházejících narušení a dodávají informace dopředu, aby pomohly počítat budoucí regulační zásahy.

Příklad dopředného řízení

Klasickou aplikací dopředného řízení je systém rozvodu páry, kde centrální kotel dodává různým zařízením v závodě páru s konstantním tlakem. Když se nečinný stroj rozběhne a začne odebírat z kotle páru, regulátor tlaku může preventivně zesílit topení a přidat další vodu do kotle, pokud systém dokáže určit, kolik páry stroj potřebuje.

Pokud by se regulátor spoléhal výhradně na zpětnou vazbu, musel by počkat, až tlak v kotli poklesne, než se bude snažit kompenzovat dodatečné zatížení. Pokud může předvídat nadcházející narušení, regulátor tlaku bude schopen aktivně zabránit poklesu tlaku, který by zpětnovazební řídicí prvek musel nejprve vidět, než by mohl provést zásah.

Trikem pro efektivní dopředné řízení je měření indikátorů nadcházejících narušení a přesná predikce možných dopadů na regulovanou veličinu. Běžec otočený vpřed nemusí příliš přemýšlet o tom, co má dělat, když je před ním oblouk, avšak dopředný regulátor tlaku bude muset přijímat méně zřejmá rozhodnutí. Bude potřebovat vědět nejen to, kdy se rozběhne určitý stroj, ale také kolik páry bude odebírat a jak přesně tento odběr ovlivní tlak v kotli v průběhu času.

Tyto predikce jsou často prováděny pomocí matematického modelu, jenž ukazuje, jak proces reaguje na měřitelná narušení. Těmito modely mohou být jednoduché náhledové tabulky obsahující dopady narušení naměřené při dřívějších testech anebo složité víceparametrové rovnice na bázi základních zákonů nebo empirických pozorování. Vytvořit nebo alespoň vylepšit matematický model v průběhu času někdy mohou on-line algoritmy učení a další formy umělé inteligence.

To nejlepší ze zpětnovazebního a dopředného řízení

Protože žádný model nemůže být stoprocentně přesný a protože regulovanou veličinu také pravděpodobně ovlivní i další neměřitelné rušivé vlivy, dopředný řídicí prvek se téměř vždy kombinuje se zpětnovazebním řídicím prvkem. Dopředný řídicí prvek co možná nejlépe odhadne potřebný regulační zásah pro kompenzaci blížícího se rušivého vlivu a zpětnovazební řídicí prvek chod zefektivní. Zpětnovazební řídicí prvek měří čistý dopad rušivého vlivu a preventivních zásahů dopředného řídicího prvku a poté kompenzuje případné odchylky regulované veličiny, kterým dopředný řídicí prvek nedokázal předejít.

Dopředné řídicí prvky může být obtížné implementovat. Návrh dopředného řídicího systému je náročný, když chování procesu není dobře pochopeno, proměnné rušivých vlivů jsou těžko měřitelné nebo je jich příliš mnoho.

Nesprávně navržený dopředný řídicí prvek může někdy dopady rušivých vlivů ještě zesílit a ztížit tak práci zpětnovazebnímu řídicímu prvku.

Méně energie a menší opotřebení

Úsilí věnované implementaci dopředného řídicího prvku se může vyplatit, pokud jsou rušivé vlivy příliš časté nebo příliš velké a zpětnovazební řídicí prvek samotný by na ně nestačil. Dobře navržený dopředný řídicí prvek může snížit dopady velkých narušení na pouhé drobné výchylky regulované veličiny. Pokud to navíc eliminuje oscilační chování čistě zpětnovazebního řídicího prvku, kombinovaný dopředný/zpětnovazební řídicí prvek bude používat méně energie tím, že sníží počet řídicích zásahů. Méně řídicích zásahů také snižuje opotřebení akčního prvku, který se používá pro realizaci výstupu řídicího prvku do procesu.

Tento výukový přehled časopisu Control Engineering upravili Chris Vavra a Mark T. Hoske, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript., CFE Media.

Control Engineering Česko

Control Engineering Česko je přední časopis o průmyslové automatizaci. Je vydáván v licenci amerického Control Engineering, které poskytuje novinky z této oblasti více než 60 let.

www.controlengcesko.com