Meet- en regeltechniek
Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
De meet- en regeltechniek bestudeert het meten en regelen van dynamische systemen.
Inhoud |
[bewerk] Regeltechniek
De regeltechniek bestudeert het dynamisch gedrag van een systeem over de tijd en probeert dit te sturen. De regeltheorie stelt een technicus in staat om algemene uitspraken te doen over, bijvoorbeeld, de stabiliteit van een geregeld systeem.
[bewerk] Terminologie
Een eenvoudig ongeregeld dynamisch systeem bestaat uit een enkele integrator, een voorwerp dat een variabele hoeveelheid van iets kan bevatten, bijvoorbeeld een bak met water. Het niveau in deze bak (de uitgang genoemd) is te regelen door er water bij te gieten of uit af te tappen (de ingang). Het gewenste waterniveau heet in het Engels de setpoint, de man of de machine die aan de kranen draait heet de regelaar. Zodra de regelaar het gewenste waterniveau gaat vergelijken met het werkelijke niveau en met de waterstroom ingrijpt is er sprake van een geregeld systeem.
De snelheid en de manier waarop het waterniveau op de gewenste waarde komt heet het regelgedrag. Dat hangt af van het te regelen systeem (de bak met water) en van de regelaar. Wat er gebeurt als iemand water uit de bak schept of er een paar liter bij gooit heet het stoorgedrag.
[bewerk] Praktijkvoorbeeld
Stel een vat water (het systeem) waarin constant water stroomt. Denk daarbij ook aan de onderkant van het vat een kraantje om water af te tappen. Dit kraantje gaat soms meer of minder open zodat er meer of minder water uit het vat stroomt. Het water dat in het vat loopt is te regelen (door de regelaar) met een klepje (de actuator van het proces). Het niveau van het water wordt gemeten en naar de regelaar gebracht. De meting kan op verschillende manieren gebeuren, bijvoorbeeld door een vlottertje, met radar of door de hydrostatische druk onderin het vat te meten. De meetwaarde zelf wordt meestal in de vorm van een stroompje, spanning of een digitale waarde naar de regelaar gebracht.
De regelaar zal, als hij goed is ingesteld, trachten om het waterpeil zo goed mogelijk constant te houden door de watertoevoer door middel van de klep te regelen. Het waterpeil is dan de te regelen waarde.
Stel nu dat je wilt dat het waterniveau lager moet zijn. Je zegt dit aan de regelaar (via een stroompje, spanning of een digitaal signaal) en de regelaar gaat hierop inspelen door de klep tijdelijk een stukje te sluiten. Het peil zal beginnen te dalen en uiteindelijk op de gewenste waarde komen. Dit gedrag noemen we het regelgedrag.
Stel nu dat het uitgaande waterdebiet een stuk vermindert, dan zal het peil hierdoor stijgen, de regelaar zal hier ook op reageren en de klep een stukje verder dicht sturen tot uiteindelijk het peil weer de gewenste waarde heeft. Dit noemen we het stoorgedrag.
[bewerk] Kamerthermostaat
Een simpel stukje regeltechniek dat iedereen kent is de verwarmingsthermostaat. De thermostaat meet de temperatuur, en als deze lager is dan de ingestelde waarde, wordt de verwarming ingeschakeld. Als de gemeten temperatuur hoger is, wordt de verwarming weer uitgeschakeld. Dit heet een aan-uit-regeling, een soort regeling die vaak wordt toegepast bij systemen met looptijd. Systemen met looptijd zijn een geval van niet-lineaire systemen.
[bewerk] Meettechniek
Om een proces te kunnen regelen, moet men de te regelen grootheden eerst kunnen meten. Daarbij kunnen allerlei problemen ontstaan.
Metingen aan een elektrisch circuit bijvoorbeeld verstoren onvermijdelijk de elektrische spanningen en stromen binnen dat circuit. Het kan nodig zijn de invloed van de meetinstrumenten te minimaliseren of zelfs te compenseren. De elektrotechnische meet- en regeltechniek omvat daarom ook de studie van sensoren die gebruikmaken van de elektrische of elektromechanische eigenschappen van een materiaal, bijvoorbeeld piëzo-kristallen voor het meten van druk en temperatuurafhankelijke weerstanden (NTC's, Pt100) voor het meten van temperatuur.
Soms zijn de te regelen grootheden niet goed (direct) te meten. In dat geval kan een Kalman-filter of een neuraal netwerk worden ingezet om die grootheden te schatten.
[bewerk] Analyse in het frequentiedomein
Men maakt in de regeltechniek vaak gebruik van transformaties, meestal Laplace-transformaties en/of z-transformaties. Bij de Laplace-transformatie worden de signalen (en het gedrag van te regelen systemen en regelaars) omgezet van het tijddomein in het frequentiedomein: een signaal wordt daar opgevat als de som van een groot aantal sinussen en cosinussen van verschillende frequenties.
In het frequentiedomein kan het karakter van signalen en systemen gemakkelijker worden beoordeeld: een piek in dit domein wijst op een grote signaalsterkte resp. een hoge versterking bij een bepaalde frequentie, een eigenfrequentie van het systeem. Bovendien kan de invloed van een systeem op een bepaald signaal worden berekend door de overdrachtsfunctie (in het frequentiedomein) van dat systeem eenvoudig te vermenigvuldigen met het getransformeerde signaal; het resultaat kan worden teruggetransformeerd in het tijddomein. Voor de regeltechniek is dit interssant omdat een piek in de overdrachtsfunctie van een geregeld systeem wijst op gevaar voor instabiliteit bij die frequentie. Op die manier kan het gedrag van het geregelde systeem van tevoren worden berekend en beoordeeld.
