לאילו שיטות בקרה משמשות לרוב בקרים

הבקר הוא מרכיב הליבה במערכת בקרת האוטומציה, האחראי על קבלת אותות חיישנים, עיבוד נתונים, הנפקת הוראות בקרה להשגת שליטה מדויקת באובייקט הנשלט. שיטות הבקרה של הבקר מגוונות, ושיטות בקרה שונות מתאימות לתרחישי בקרה וצרכים שונים. במאמר זה, נציג בפירוט מספר שיטות בקרה המשמשות לעתים קרובות על ידי בקרים, כולל בקרת PID, בקרה מטושטשת, בקרה אדפטיבית, בקרה חזויה, בקרת רשת עצבית ובקרה חכמה.

1. בקרת PID

בקרת PID (בקרה פרופורציונלית-אינטגרלית-נגזרת) היא שיטת בקרה קלאסית, בשימוש נרחב בייצור תעשייתי, תעופה וחלל, תחבורה וכו'. בקר PID שולט באובייקט הנשלט באמצעות שלושת הקישורים של פרופורציונלי (P), אינטגרל (I) ונגזרת (D).

1.1 בקרה פרופורציונלית

בקרה פרופורציונלית היא הבסיס לבקרת PID, חוק הבקרה הוא: u (t)=Kp * e (t), כאשר u (t) עבור כמות הבקרה, Kp עבור מקדם המידתיות, e (t) עבור הסטייה. התפקיד העיקרי של בקרה פרופורציונלית הוא להפחית את הסטייה ולשפר את מהירות התגובה של המערכת.

1.2 בקרה אינטגרלית

תפקידה של בקרה אינטגרלית הוא לבטל את ההבדל הסטטי של המערכת ולשפר את יציבות המערכת. חוק הבקרה הוא: u(t)=u(t-1) + Ki * ∫e(t)dt, כאשר Ki הוא המקדם האינטגרלי.

1.3 בקרה דיפרנציאלית

התפקיד העיקרי של בקרה דיפרנציאלית הוא לדכא את התנודה של המערכת ולשפר את יכולת האנטי--הפרעות של המערכת. חוק השליטה שלו הוא: u(t)=u(t-1) - Kd * de(t)/dt, כאשר Kd הוא מקדם ההפרש.

1.4 מאפייני בקרת PID

לבקרת PID יש יתרונות של מבנה פשוט, התאמה קלה של פרמטרים, יכולת הסתגלות וכן הלאה, אך יחד עם זאת ישנן מספר מגבלות, כגון שליטה לקויה במערכות לא ליניאריות-משתנות בזמן, ודרישות גבוהות יותר להתאמת פרמטרים.

2. שליטה מטושטשת

בקרה מטושטשת היא סוג של בקרה המבוססת על לוגיקה מטושטשת, המתאימה להתמודדות עם אי ודאות ועמימות. הבקר המטושטש מממש את השליטה באובייקט הנשלט באמצעות שלושה חלקים: בסיס כלל מטושטש, מכונת הסקת מסקנות מעורפלת ומייבש.

2.1 בסיס כללים מטושטשים

בסיס הכללים המטושטשים הוא הליבה של הבקר המטושטש, המכיל סדרה של כללים מטושטשים לתיאור הקשר בין משתני קלט למשתני פלט. כלל מטושטש הוא בצורת IF משתנה קלט IS מטושטש, ואז משתנה פלט IS מטושטש.

2.2 מכונת מסקנות מטושטשת

מכונת ההסקה המטושטשת מנמקת את משתני הקלט לפי הכללים בבסיס הכללים המטושטשים כדי לקבל את הערכים המטושטשים של משתני הפלט. תהליך ההסקה המטושטשת כולל ארבעה שלבים: פיזור, התאמת כללים, איחוי כללים ו-defuzzification.

2.3 מנטרל

תפקידו של ה-fuzzifier הוא להמיר את הערכים המטושטשים המתקבלים מהיגיון מעורפל לכמויות בקרה בפועל. שיטות דה-פיוזיפיקציה הנפוצות כוללות שיטת השתייכות מקסימלית, שיטת ממוצע משוקלל וכו'.

2.4 מאפיינים של שליטה מטושטשת

לשליטה מטושטשת יש יכולת להתמודד עם אי ודאות ובעיות מטושטשות, עם דרישות נמוכות להתאמת פרמטרים ויכולת הסתגלות גבוהה. עם זאת, לשליטה מטושטשת יש גם מגבלות מסוימות, כגון בניית בסיס הכללים דורשת הרבה ניסיון וידע, ודיוק הבקרה מושפע מחלוקת מערך המטושטש ושיטת ההסקה.

3. שליטה אדפטיבית

בקרה אדפטיבית היא מעין שיטת בקרה שיכולה להתאים אוטומטית את פרמטרי הבקרה לפי מאפייני האובייקט הנשלט ושינויים סביבתיים. בקר אדפטיבי כולל בדרך כלל שלושה חלקים: זיהוי מודל, הערכת פרמטרים ועיצוב חוק הבקרה.

3.1 זיהוי מודלים

זיהוי מודל הוא הבסיס לבקרה אדפטיבית, באמצעות נתוני הקלט והפלט כדי לבסס את המודל המתמטי של האובייקט הנשלט, כדי לספק בסיס לאומדן פרמטרים ועיצוב חוק הבקרה.

3.2 הערכת פרמטרים

הערכת פרמטר היא להעריך את הפרמטרים של האובייקט הנשלט באופן מקוון על פי המידע המתקבל מזיהוי המודל, המספק מידע פרמטרים בזמן אמת לתכנון חוק הבקרה.

3.3 עיצוב דיני שליטה

עיצוב חוק השליטה נועד לתכנן את חוק השליטה המותאם למאפייני האובייקט הנשלט ולשינויים סביבתיים על פי תוצאות זיהוי המודל והערכת פרמטרים, כדי לממש את השליטה המדויקת של האובייקט הנשלט.

3.4 מאפייני שליטה אדפטיבית

לשליטה אדפטיבית יש את היכולת להסתגל למאפיינים של האובייקט הנשלט ולשינויים סביבתיים, ויכולה לממש את השליטה של ​​מערכות לא ליניאריות-משתנות בזמן. עם זאת, לבקרה אדפטיבית יש גם מגבלות מסוימות, כגון הדיוק של זיהוי המודל והערכת הפרמטרים משפיעים על אפקט הבקרה, ועיצוב חוק הבקרה הוא מסובך.

4. שליטה חזויה

שליטה חזויה היא שיטת בקרה המבוססת על מידע חיזוי עתידי, אשר מממשת את השליטה האופטימלית של האובייקט הנשלט על ידי חיזוי ההתנהגות העתידית של האובייקט הנשלט.

4.1 מודל חיזוי

מודל חזוי הוא הבסיס לשליטה חזויה, המשמש לתיאור ההתנהגות הדינמית של האובייקט הנשלט. מודלים חיזויים נפוצים הם מודל ARX, מודל BJ וכן הלאה.

4.2 אלגוריתם חיזוי

אלגוריתם החיזוי מנבא את ההתנהגות העתידית של האובייקט הנשלט על פי מודל החיזוי ומידע הקלט והפלט הנוכחי. אלגוריתמי חיזוי נפוצים כוללים ריבועים קטנים רקורסיביים, מסנן קלמן וכו'.

4.3 בקרת אופטימיזציה

שליטה אופטימלית מבוססת על תוצאות החיזוי, באמצעות אלגוריתם האופטימיזציה לפתרון חוק הבקרה האופטימלי, להשגת שליטה מיטבית באובייקט הנשלט. אלגוריתמי אופטימיזציה נפוצים הם תכנות ליניארי, תכנות ריבועי וכן הלאה.