Sistemele cu buclă închisă folosesc feedback (reacție) în cazul în care o parte a semnalului de ieșire este trimisă înapoi la intrare pentru a reduce erorile și pentru a îmbunătăți stabilitatea.

Sistemele în care cantitatea de ieșire nu are nici un efect asupra intrării în procesul de control se numesc sisteme de control cu ​​buclă deschisă, iar sistemele cu buclă deschisă sunt doar sisteme non-feedback open-ended.

Scopul oricărui sistem de control electric sau electronic este acela de a măsura, monitoriza și controla un proces, iar o modalitate prin care putem controla cu exactitate procesul este monitorizarea ieșirii și "trimiterea" unei părți din ea înapoi pentru a compara ieșirea reală cu ieșirea dorită pentru a reduce eroarea și, dacă este perturbată, să aducă ieșirea sistemului înapoi la răspunsul original sau dorit.

Cantitatea de ieșire măsurată este denumită "semnal de reacție", iar tipul de sistem de control care utilizează semnale de reacție atât pentru a controla, cât și pentru a se regla, se numește Sistem cu buclă închisă (close-loop).

Un sistem de control cu ​​buclă închisă, cunoscut și ca sistem de control cu feedback, este un sistem de control care utilizează conceptul de sistem de buclă deschisă cu calea sa directă, dar are una sau mai multe bucle de feedback (de aici numele său) sau căi între ieșirea și intrarea sa. Referința la "feedback" înseamnă pur și simplu că o parte din ieșire este returnată "înapoi" la intrare pentru a forma o parte din excitația sistemului.

Sistemele cu buclă închisă sunt proiectate astfel încât să obțină și să mențină în mod automat starea de ieșire dorită, comparând-o cu starea reală. Face acest lucru generând un semnal de eroare care este diferența dintre ieșire și intrarea de referință. Cu alte cuvinte, un "sistem cu buclă închisă" este un sistem de control complet automat, în care acțiunea sa de control este dependentă de ieșire într-un fel.

Așa că, de exemplu, luați în considerare uscătorul nostru de haine electrice din tutorialul Open-loop anterior. Să presupunem că am folosit un senzor sau un traductor (dispozitiv de intrare) pentru a monitoriza continuu temperatura sau uscarea hainelor și am trimis un semnal referitor la uscare înapoi la regulator, după cum se arată mai jos.

Controlul cu buclă închisă

Acest senzor va monitoriza uscarea reală a hainelor și o va compara cu (sau scădea din) referința de intrare. Semnalul de eroare (eroare = uscare necesară - uscare reală) este amplificat de controller, iar ieșirea regulatorului face corecția necesară sistemului de încălzire pentru a reduce orice eroare. De exemplu, dacă hainele sunt prea ude, controllerul poate crește temperatura sau timpul de uscare. De asemenea, dacă hainele sunt aproape uscate, se poate reduce temperatura sau se poate opri procesul pentru a nu se supraîncălzi sau arde hainele etc.

Deci, configurația cu buclă închisă este caracterizată de semnalul de feedback, derivat de la senzor, în sistemul nostru de uscare a hainei. Mărimea și polaritatea semnalului de eroare rezultat ar fi direct legate de diferența dintre uscarea necesară și uscarea reală a hainelor.

De asemenea, deoarece un sistem cu buclă închisă are cunoștințe despre starea de ieșire (prin intermediul senzorului), este mai bine echipat pentru a face față oricăror perturbări de sistem sau modificări ale condițiilor care pot reduce capacitatea sa de a îndeplini sarcina dorită.

De exemplu, ca și înainte, ușa uscătorului se deschide și căldura se pierde. De această dată, deviația de temperatură este detectată de senzorul de reacție și controllerul auto-corectează eroarea pentru a menține o temperatură constantă în limitele valorii prestabilite. Sau, eventual, oprește procesul și activează o alarmă pentru a informa operatorul.

După cum se poate observa, într-un sistem de control cu ​​buclă închisă, semnalul de eroare, care este diferența dintre semnalul de intrare și semnalul de reacție (care poate fi semnalul de ieșire în sine sau o funcție de semnalul de ieșire), este trimis la regulator astfel încât să se reducă erorile de sistem și să se aducă ieșirea sistemului la o valoare dorită. În cazul nostru, uscarea hainelor. În mod evident, când eroarea este zero, hainele sunt uscate.

Termenul de control cu ​​buclă închisă implică întotdeauna utilizarea unei acțiuni de control cu feedback, pentru a reduce orice erori în sistem, și "feedback-ul" său, care distinge principalele diferențe dintre un sistem cu buclă deschisă și un sistem cu buclă închisă. Precizia ieșirii depinde de calea de reacție, care, în general, poate fi făcută foarte precisă și în cadrul sistemelor și circuitelor electronice de control, controlul cu feedback este mai frecvent utilizat decât controlul cu buclă deschisă sau feed forward.

Sistemele cu buclă închisă au multe avantaje față de sistemele cu buclă deschisă. Principalul avantaj al unui sistem de control cu feedback în buclă închisă îl reprezintă capacitatea acestuia de a reduce sensibilitatea sistemului la perturbații externe, de exemplu deschiderea ușii uscătorului, oferind sistemului un control mai robust, deoarece orice schimbare a semnalului de feedback va avea drept rezultat o compensație prin controller.

Atunci putem defini principalele caracteristici ale Controlorului cu buclă închisă ca fiind:

• Reduce erorile prin ajustarea automată a intrării sistemului.

• Îmbunătățește stabilitatea unui sistem instabil.

• Crește sau reduce sensibilitatea sistemului.

• Sporește robustețea față de perturbațiile externe ale procesului.

• Produce o performanță fiabilă și repetabilă.

Deși un sistem bun cu buclă închisă poate avea multe avantaje față de un sistem de control cu ​​buclă deschisă, principalul său dezavantaj este că, pentru a asigura cantitatea necesară de control, un sistem cu buclă închisă trebuie să fie mai complex prin faptul că are una sau mai multe căi de reacție. De asemenea, dacă câștigul controllerului este prea sensibil la variațiile comenzilor sau semnalelor sale de intrare, el poate deveni instabil și poate începe să oscileze, deoarece controllerul încearcă să se supra-corecteze și în cele din urmă ceva se va rupe. Așa că trebuie să "spunem" sistemului cum ne dorim să se comporte în anumite limite prestabilite.

Puncte de însumare a buclelor închise

Pentru ca un sistem de feedback cu buclă închisă să regleze orice semnal de comandă, acesta trebuie să determine mai întâi eroarea dintre ieșirea reală și ieșirea dorită. Acest lucru este realizat utilizând un punct de însumare, denumit și element de comparație, între bucla de feedback și intrarea sistemului. Aceste puncte de însumare compară un punct de setare al sistemului cu valoarea reală și produc un semnal de eroare pozitiv sau negativ la care controllerul răspunde.

Simbolul utilizat pentru a reprezenta un punct de însumare în schema bloc a sistemelor cu buclă închisă este acela al unui cerc cu două linii încrucișate, așa cum se arată. Punctul de însumare poate aduna semnale, în care este utilizat un simbol Plus (+) care arată că dispozitivul este un "sumator" (folosit pentru feedback pozitiv), sau poate scădea semnale unul din altul, caz în care se utilizează simbolul minus (-), care arată că dispozitivul este un "comparator" (utilizat pentru feedback negativ), așa cum se arată.

Tipuri de puncte de însumare

Rețineți că punctele de însumare pot avea mai multe semnale ca intrări, fie adăugând sau scăzând, dar doar o ieșire, care este suma algebrică a intrărilor. De asemenea, săgețile indică direcția semnalelor. Punctele de însumare pot fi legate în cascadă împreună pentru a permite mai multe variabile de intrare să fie însumate la un anumit punct.

Funcția de transfer a sistemului cu buclă închisă

Funcția de transfer a oricărui sistem de control electric sau electronic este relația matematică dintre intrarea sistemului și ieșirea lui și, prin urmare, descrie comportamentul sistemului. Rețineți, de asemenea, că raportul dintre ieșirea unui anumit dispozitiv și intrarea acestuia reprezintă câștigul său. Atunci, putem spune corect că ieșirea este întotdeauna funcția de transfer a sistemului ori (x) intrarea. Luați în considerare sistemul cu buclă închisă de mai jos.

Reprezentarea tipică a sistemului cu bucla închisă

unde:

blocul G reprezintă câștigurile de buclă deschisă ale controllerului sau sistemului și este calea directă, iar blocul H reprezintă câștigul senzorului, traductorului sau sistemului de măsurare în calea de feedback.

Pentru a găsi funcția de transfer a sistemului buclă închisă de mai sus, trebuie mai întâi să calculăm semnalul de ieșire θo în termeni de semnal de intrare θi. Pentru a face acest lucru, putem scrie cu ușurință ecuațiile diagramei bloc date, după cum urmează.

Ieșirea din sistem este egală cu: Ieșire = G x Eroare

Rețineți că semnalul de eroare, θe este și intrarea în blocul feed-forward: G

Ieșirea din punctul de însumare este egală cu: Eroare = Intrare - H x Ieșire

Dacă H = 1 (feedback unitate) atunci:

Ieșirea din punctul de însumare va fi: Eroare (θe) = Intrare - Ieșire

Eliminând termenul de eroare, atunci:

Ieșirea este egală cu: Ieșire = G x (Intrare - H x Ieșire)

Prin urmare: G x Input = Ieșire + G x H x Ieșire

Rearanjarea celor de mai sus ne oferă funcția de transfer cu buclă închisă:

Ecuația de mai sus pentru funcția de transfer a unui sistem cu buclă închisă prezintă un semn Plus (+) la numitor care reprezintă un feedback negativ. Cu un sistem de feedback pozitiv, numitorul va avea un semn Minus (-) iar ecuația devine: 1 - GH.

Putem vedea că atunci când H = 1 (feedback unitate) și G este foarte mare, funcția de transfer se apropie de unitate:

De asemenea, pe măsură câștigul de stare staționară G al sistemului scade, expresia lui: G/(1+ G) scade mult mai lent. Cu alte cuvinte, sistemul este destul de insensibil la variațiile câștigului de sistem reprezentat de G și care este unul dintre principalele avantaje ale unui sistem cu buclă închisă.

Sistem cu multiple bucle închise

În timp ce exemplul nostru de mai sus este un sistem cu buclă închisă cu o singură intrare, o singură ieșire, funcția de transfer de bază se aplică în continuare sistemelor complexe multi-buclă. Cele mai practice circuite cu feedback au o anumită formă de control cu ​​bucle multiple, iar pentru o configurație cu mai multe bucle, funcția de transfer între o variabilă controlată și o variabilă manipulată depinde de faptul dacă celelalte bucle de control cu feedback sunt deschise sau închise.

Luați în considerare sistemul multi-buclă de mai jos.

Orice blocuri în cascadă, cum ar fi G1 și G2 pot fi reduse, precum și funcția de transfer a buclei interioare așa cum se arată.

După reducerea suplimentară a blocurilor ajungem la o diagramă bloc finală care seamănă cu cea a anteriorului sistem cu o singură buclă închisă.

Funcția de transfer a acestui sistem multi-buclă devine:

Vedem că și diagramele complexe multi-bloc sau multi-buclă pot fi reduse pentru a da o singură diagramă bloc cu o funcție de transfer de sistem comun.

Controlul motorului în buclă închisă

Deci, cum putem folosi sistemele cu buclă închisă în electronică. Considerați regulatorul nostru de motor DC din tutorialul anterior cu buclă deschisă. Dacă am conectat un traductor de măsurare a vitezei, cum ar fi un tahometru la axul motorului DC, am putea detecta viteza și trimite un semnal proporțional cu viteza motorului înapoi la amplificator. Un tahometru, cunoscut și sub numele de tahogenerator, este pur și simplu un generator DC cu magnet permanent, care dă o tensiune de ieșire DC proporțională cu viteza motorului.

Atunci, poziția cursorului potențiometrului reprezintă intrarea θi care este amplificată de către amplificator (controller) pentru a acționa motorul DC la o viteză setată N reprezentând ieșirea θo a sistemului, și tahometrul T ar fi bucla închisă înapoi la controller. Diferența dintre setarea tensiunii de intrare și nivelul de tensiune de feedback dă semnalul de eroare, așa cum este arătat.

Orice perturbări externe ale sistemului de comandă al motorului cu buclă închisă, cum ar fi creșterea sarcinii motorului, ar crea o diferență între turația reală a motorului și valoarea setată la intrare de potențiometru.

Această diferență ar produce un semnal de eroare la care controllerul ar reacționa automat ajustând viteza motorului. Deci, controllerul funcționează pentru a minimiza semnalul de eroare, eroarea zero indicând viteza reală care este egală cu valoarea setată.

Din punct de vedere electronic, am putea implementa un circuit simplu de control al motorului cu tahometru-feedback cu buclă închisă, utilizând un amplificator operațional (op-amp) pentru controler, așa cum se arată.

Circuitul controllerului motorului cu buclă închisă

Acest controler simplu cu buclă închisă poate fi reprezentat ca o diagramă bloc, așa cum este arătat.

Diagrama bloc pentru controller cu feedback

Un regulator de motor cu buclă închisă este un mijloc comun de menținere a vitezei dorite a motorului în condiții de sarcină variabilă prin schimbarea tensiunii medii aplicate la intrare de la regulator. Tahometrul ar putea fi înlocuit cu un encoder optic sau cu senzor pozițional sau rotativ de tip efect-Hall.

Rezumat Sisteme cu buclă închisă

Am văzut că un sistem electronic de control cu ​​una sau mai multe căi de feedback este numit un sistem cu buclă închisă. Sistemele de control cu ​​buclă închisă sunt numite și "sisteme de control cu feedback", care sunt foarte frecvente în sistemele de control al procesului și în sistemele electronice de control. Sistemele cu feedback au o parte din semnalul lor de ieșire "trimis înapoi" la intrare pentru comparație cu condiția dorită de punctul de setare. Tipul de semnal de feedback poate avea ca rezultat feedback pozitiv sau feedback negativ.

Într-un sistem cu buclă închisă, un controller este utilizat pentru a compara ieșirea unui sistem cu condiția necesară și pentru a converti eroarea într-o acțiune de control proiectată pentru a reduce eroarea și a aduce ieșirea sistemului înapoi la răspunsul dorit. Atunci sistemele de control cu ​​buclă închisă folosesc feedback pentru a determina intrarea reală în sistem și pot avea mai multe bucle de feedback.

Sistemele de control cu ​​buclă închisă au multe avantaje față de sistemele cu buclă deschisă. Un avantaj este faptul că utilizarea feedback-ului face ca răspunsul sistemului să fie relativ insensibil la perturbațiile externe și la variațiile interne ale parametrilor sistemului, cum ar fi temperatura. Prin urmare, este posibil să se utilizeze componente relativ inexacte și necostisitoare pentru a obține controlul exact al unui proces sau al unei instalații date.

Dar, stabilitatea sistemului poate fi o problemă majoră, mai ales în cazul sistemelor cu buclă închisă proiectate prost, deoarece acestea pot încerca să supra-corecteze orice eroare ceea ce ar putea provoca sistemul să piardă controlul și să oscileze.

În următorul tutorial despre sistemele electronice, vom analiza diferitele moduri în care putem incorpora un punct de însumare în intrarea unui sistem și diferitele moduri în care putem trimite semnale înapoi.