Для того чтобы во время работы системы фактическая температура в ней приближалась к температуре задания, необходимо устройство, посылающее ей управляющий сигнал соответствующей величины. Такими устройствами являются приборы, основанные, в частности, на ПИД-регулировании или на правилах нечеткой логики (Fuzzy Logic).
Регулирование в системе осуществляется по следующему принципу: время работы поделено на определенные интервалы времени, в течение каждого такого интервала происходит замер фактической температуры. Если по результату замера эта температура такова, что система нуждается в регулировании, посылается соответствующий выходной сигнал.
В приборах, основанных на ПИД-регулировании управляющее воздействие (величина выходного сигнала) формируется на основе разности измеренной фактической температуры и температуры задания состоит из трех компонент: пропорциональной (П), интегральной (И) и дифференциальной (Д). Пропорциональная компонента определяет линейную зависимость управляющего воздействия от разности температуры задания и фактической температуры в среде. Интегральная компонента обеспечивает устранение статической ошибки (статическая ошибка — это «неточность» достижения температуры задания, неизбежно возникающая при формировании управляющего воздействия из пропорциональной компоненты). Дифференциальная составляющая служит для ускорения реакции системы на внешние воздействия и изменения параметров в задании. При идеальной настройке ПИД-регулятора фактическая температура под воздействием выходного сигнала по экспоненциальному закону приближается к температуре задания и становится численно ей равной.
На практике настройка ПИД-регуляторов крайне трудоемка. Как правило, она включает в себя решение сложных систем дифференциальных уравнений, которые не всегда имеют точные решения. Это означает, что на практике температура задания в таких системах достигаться не будет. Существует некоторый интервал температур, в который будет попадать фактическая температура в процессе регулирования.
В регуляторах, основанных на правилах нечеткой логики, управляющее воздействие, также как и при ПИД-регулировании, формируется на основе разности измеренной фактической температуры в среде и температурой задания. Опишем принцип работы таких регуляторов. Область значений температуры условно разделяется на промежутки (как правило, на три промежутка). Среди этих температурных интервалов обязательно существует интервал, при попадании в который фактическая температура считается близкой к заданию, не нуждающейся в регулировании (зона нечувствительности). В регуляторе реализованы простые условные правила, по которым в случае, когда температура попадает в один из промежутков, не являющихся зоной нечувствительности, высылается регулирующий сигнал, соответствующей данному интервалу, переводящий температуру в системе в зону нечувствительности. Эти условия могут иметь такой вид:
Если (Тmax ? Т-Тtask > Nupper), то управляющее воздействие = X1
Если (Nupper ? Т-Тtask ? Nbelow), то управляющее воздействие = 0
Если (Nbelow > Т-Тtask ? Тmin), то управляющее воздействие = X2,
где Тmax, Тmin – максимально возможное и минимально возможное значения температуры в системе Т, Тtask – фактическая температура и температура задания соответственно Nupper, Nbelow – верхняя и нижняя границы зоны нечувствительности X1, X2 – величины управляющих сигналов.
Как зону нечувствительности целесообразно выбирать интервал температур, в рамках которого различия между фактической температурой и температурой задания не влияют на технологический процесс.
Примеры регулирования по правилам нечеткой логики.
• Для человеческого тела зону нечувствительности можно определить как интервал от 36.5 °C до 36.9 °С. В случае повышения температуры тела до температурного промежутка 37.0–39.5 °С, применяются средства общей терапии, для того, чтобы сбить температуру. При повышении температуры до 39.6 °С и выше, применяют сильнодействующие препараты вплоть до экстренной помощи.
• На производстве железобетонных плит при паровой обработке изделий зону нечувствительности можно определить как интервал в 5 °С ниже температуры задания и в 5 °С выше температуры задания. При отклонении температуры от зоны нечувствительности предусматривается подача управляющего сигнала одной величины в случае, когда измерения показали, что фактическая температура ниже зоны нечувствительности, и сигнал другой величины, если температура оказалась выше зоны нечувствительности.
Отметим, что на практике регулирование может сочетать в себе принципы правил нечеткой логики и ПИД-регулирования. Возможен такой случай: регулирование происходит по правилам нечеткой логики, но существует температурный интервал, при попадании в который управляющее воздействие формируется на основе ПИД-регулирования.
Рассмотрим преимущества регуляторов, основанных на правилах нечеткой логики. Процесс настройки ПИД – регулятора более трудоемок для систем с изменяющимися параметрами и сам процесс настройки хорошо изучен, но плохо формализован. В случае регуляторов, основанных на правилах нечеткой логики, он становится интуитивно понятным и несложным.
На данный момент регулирование на основе правил нечеткой логики реализовано на заводах ОАО «Бетиар 22» и ДОАО «ЗЖБИ 250» используется при паровой обработке железобетонных плит.