Hệ thống điều khiển vòng lặp đóng kết nối tạo ra xương sống của sự tự động hóa hiện đại, sản xuất chính xác và vô số công nghệ hàng ngày. từ bộ điều khiển trong nhà đến bộ điều khiển máy bay, hệ thống này dựa vào chu kỳ liên tục của khả năng đo lường, so sánh và sửa chữa để duy trì kết quả mong muốn. Ở trung tâm của chu kỳ này là bộ cảm biến - thành tín hiệu điện. Tính chính xác của bộ cảm biến đó trực tiếp quyết định mức độ trung thực của hệ thống có thể theo điểm của nó. Khi sự chính xác, toàn bộ vòng lặp có thể trở nên không ổn định, trong hiệu quả, thậm chí nguy hiểm. Bài này khám phá chính xác những gì trong bối cảnh của vòng lặp, các yếu tố mà hệ thống có thể kiểm soát, và hiệu quả nhất, có thể lặp lại, và có thể kiểm soát hiệu quả nhất.

Hệ thống vòng lặp kín là gì?

Một hệ thống vòng khép kín, cũng được gọi là hệ thống điều khiển phản hồi, liên tục so sánh kết xuất thực sự của nó với một tham chiếu (dấu ấn) đã mong muốn và điều chỉnh đầu vào của nó để giảm thiểu sự khác biệt. Điều này tương phản với hệ thống vòng lặp mở, hoạt động không có phản hồi. Thành phần cơ bản của một hệ thống vòng lặp đóng gồm:

  • Trình thông báo: đo biến số đầu ra (v., nhiệt độ, áp suất, vị trí, tốc độ) và chuyển nó thành tín hiệu.
  • Trình duyệt: so sánh giá trị đo với điểm đặt và tính toán một tín hiệu sửa chữa (v. d., thuật toán PID).
  • Nhà tạo: Hãy áp dụng việc sửa chữa quá trình (v. d., động cơ, van, nhiệt độ).
  • Chương trình: ) Hệ thống vật lý đang được kiểm soát.

Ví dụ thông thường hàng ngày gồm có bộ điều khiển phòng (ý định: nhiệt độ; điều khiển: bộ điều khiển nhiệt độ; bộ điều khiển: lò sưởi hoặc điều khiển điều khiển điều khiển điều khiển điều khiển điều khiển, điều khiển du hành tự động (ý kiến: tốc độ; bộ điều khiển: bộ điều khiển: bộ điều khiển: bộ điều khiển nhiệt), và bộ điều khiển van công nghiệp (ý đồ điều khiển: máy đo điện; bộ điều khiển: bộ điều khiển: bộ điều khiển: bộ điều khiển hơi nước hay động). Tính năng xác định là vòng quay: dữ liệu bộ điều khiển trực tiếp ảnh hưởng đến dữ liệu bộ điều khiển, tạo ra cơ chế tự sửa chữa bản.

Để thâm nhập sâu hơn vào thuyết kiểm soát vòng lặp kín, [FLT: 0] hướng dẫn về việc đóng vòng lặp [FLT: 1] cung cấp tài liệu nền tảng tuyệt vời.

Tầm quan trọng của sự chính xác về cảm giác

Độ chính xác của bộ nhạy được định nghĩa là sự gần gũi giữa giá trị đo lường và giá trị đúng của đường cong. Trong hệ thống vòng kín, độ chính xác không chỉ là một tính chất đặc trưng trên một tờ sổ dữ liệu - nó là một sự xác định trực tiếp chất lượng điều khiển. Độ chính xác cao cảm biến bảo đảm người điều khiển nhận được một đại diện trung thành của quá trình, cho phép nó có thể điều chỉnh đúng. Khi độ chính xác là thấp, bộ điều khiển có thể quá chính xác, dưới sửa đổi, hay dao động, dẫn:

  • Thời gian định cư ngày càng tăng:) Hệ thống này mất nhiều thời gian hơn để đạt và ổn định tại điểm hẹn.
  • Lỗi bangSteady:) một bù đắp vĩnh viễn giữa đầu ra đo và điểm đặt.
  • Trong những trường hợp đặc biệt, hệ thống có thể trở nên bất ổn, gây ra những chu kỳ bị giới hạn hoặc chạy trốn.
  • năng lượng và vật liệu bị cạn:) kiểm soát không hiệu quả chuyển trực tiếp sang chi phí hoạt động cao hơn.
  • chất lượng sản phẩm đã được tái tạo:) trong sản xuất, cảm biến không chính xác dẫn đến các phần ngoài lục phân và tăng số phế liệu.

Hãy xem xét một lò phản ứng hóa học phải giữ nhiệt độ chính xác cho một phản ứng. Một bộ cảm biến nhiệt độ với độ chính xác là 0,5 °C có thể được chấp nhận, nhưng bộ cảm biến này trôi vào khoảng nghiêng đến đổ 5°C theo thời gian có thể gây ra phản ứng thất bại thảm khốc. Tương tự, trong robot phẫu thuật, sự chính xác về thứ tự của các micromet là cần thiết cho hoạt động an toàn.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến

Hiểu được sự chính xác của ảnh hưởng là bước đầu tiên để giảm thiểu lỗi.

Tính

Tính toán là quá trình so sánh kết xuất của một bộ cảm biến với một tiêu chuẩn đã biết và điều chỉnh nó để giảm độ lệch. Ngay cả bộ cảm biến chất lượng cao nhất cũng cần điều chỉnh định kỳ vì chúng tự nhiên trôi theo thời gian. Khoảng thời gian cân chỉnh phụ thuộc vào kiểu bộ nhạy, môi trường hoạt động, và cần thiết. Ví dụ, bộ truyền dẫn áp suất trong môi trường công nghiệp có thể cần điều chỉnh lại mỗi ba đến sáu tháng, trong khi thiết bị nâng cấp phòng thí nghiệm có thể đi một năm hoặc hơn.

Điều kiện môi trường

Hầu hết các cảm biến bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh. Các thay đổi nhiệt độ gây ra sự giãn nở hoặc co giãn của các yếu tố cảm biến, thay đổi tính chất điện tử. Độ ẩm có thể ảnh hưởng đến các cảm biến mạch hay sự co giật. Sự can thiệp điện từ (EMI) từ động cơ hoặc thiết bị không dây gần đó có thể gây ra nhiễu vào tín hiệu cảm biến, giảm độ chính xác. dao động cơ, rung động cơ, và sự phơi nhiễm đến hóa học cũng gây ra hiệu suất thấp. Các nhà thiết kế hệ thống phải giải thích cho các phong bì môi trường mong đợi khi chọn bộ cảm biến môi trường.

Chất lượng cảm biến và thiết kế

Không phải mọi bộ nhạy được tạo ra đều bình đẳng. Sự chính xác cố định của bộ nhạy được xác định bởi thiết kế, vật liệu, và khả năng sản xuất. Ví dụ, một bộ cảm biến nhiệt độ cao (TD) có độ chính xác điển hình của TD. 1°C, trong khi bộ phận chuyển đổi giá thấp có thể là 0, 5 ° C hoặc tệ hơn. Bộ cảm biến số với bộ điều chỉnh định dạng sóng tương tự thường vượt quá mức độ sóng vì chúng thu nhỏ nhiễu và không có tuyến tính. Tuy nhiên, bộ cảm biến số cũng giới thiệu lỗi định lượng kỹ thuật số khác nhau từ bộ chuyển đổi đa số khác nhau (AD).

Tuổi già và sự trôi dạt

Tất cả các cảm biến trải qua một mức độ trôi qua theo thời gian. trôi dạt là một thay đổi dần dần trong kết quả đầu vào cùng một loại, thường là do tuổi già vật chất, thay đổi hóa chất trong yếu tố cảm nhận, hoặc mặc cơ học. Ví dụ, đo lường các tế bào nạp nặng mất độ nhạy cảm như độ tuổi epxy. Tương tự, các điện cực phân hủy như màng thủy tinh bị nhiễm độc. Bảo trì dự đoán và tái định thường xuyên là các biện pháp phản ứng chính.

Độ ồn và độ phân giải

Tiếng ồn là dao động ngẫu nhiên trong kết xuất nhạy không liên quan đến biến. Nó có thể đến từ các nguồn nội bộ (tiếng ồn Johnson, tiếng ồn bắn) hoặc các nguồn bên ngoài (EMI, vòng lặp mặt đất). Độ phân giải chỉ tới sự thay đổi nhỏ nhất trong bộ nhạy có thể phát hiện. Độ phân giải cao không bảo đảm độ chính xác cao, nhưng độ phân giải thấp có thể giới hạn độ chính xác vì hệ thống không thể đáp ứng với thay đổi nhỏ. Tính lọc (phần cứng hay phần mềm) có thể giảm nhiễu, mà có thể tạo ra độ trễ trong thời gian, ảnh hưởng đến vòng lặp.

Tuyến tính và sự mê hoặc

Độ phân giải đường mô tả mối quan hệ kết xuất của bộ nhạy với đường thẳng. Các bộ nhạy phi tuyến tính cần phải sửa chữa trong bộ điều khiển (v. d., bảng tìm kiếm). Hysteresis là sự khác biệt trong kết xuất khi kết nhập tiếp cận giá trị từ việc tăng các hướng không tuyến tính và các lỗi thần kinh phải được thay đổi.

Xác định và cải tiến sự chính xác của cảm biến

Sự chính xác của cảm biến được cải tiến là một nỗ lực đa chiều để kéo dài sự chọn lọc, cài đặt, cân chỉnh, và xử lý tín hiệu.

Chọn bộ nhạy

Hãy chọn một bộ nhạy với một tính chất chính xác vượt quá yêu cầu của hệ thống bằng một lề hợp lý. Hãy xem tổng ngân sách lỗi: bao gồm sự đóng góp từ bộ nhạy, điều chỉnh tín hiệu, ADC, dây cáp và môi trường. Chẳng hạn, nếu một tiến trình đòi hỏi nhiệt độ trong 0,5°C, hãy chọn bộ nhạy có độ chính xác là 0,1 °C theo điều kiện hoạt động mong đợi. [FL: 0] Hướng dẫn kỹ thuật về độ nhạy [FL: 0] cung cấp một bộ phân tích hữu ích.

Cân chỉnh các thực hành tốt nhất

Thiết lập một thời biểu cân chỉnh dựa trên các khuyến cáo nhà sản xuất và dữ liệu về sự trôi dạt lịch sử. Hãy dùng tiêu chuẩn có thể theo dõi (v. d., những tham chiếu có thể theo dõi) cho khả năng thẩm định trong nhà hoặc gửi cảm biến tới một phòng thí nghiệm được công nhận. Đối với ứng dụng quan trọng, cân nhắc nội bộ bằng bộ bộ bộ tham chiếu trong thao tác hệ thống (v. d., một khối nhiệt độ đã biết). Tài liệu tất cả các kết quả khả năng theo dõi xu hướng bị trôi dạt.

Điều kiện và Lọc Tín hiệu

Một tín hiệu nhạy tốt là vô ích nếu nó bị hỏng trước khi tới bộ điều khiển. Dùng dây dẫn xoắn để giảm EMI. Áp dụng các dữ liệu vi phân để từ chối nhiễu có chế độ đồng bộ. Mẫu ở mức cao đủ để ghi lại động lực hệ thống (Nquist certerion) và áp dụng bộ lọc số (v. d., di chuyển trung bình, nhập thấp) để giảm nhiễu. Tuy nhiên, hãy lưu ý đến sự chậm tiến trình lọc. Nếu vòng lặp đã đóng có thể trở nên không ổn định.

Sự dư dật và sự tích hợp của cảm biến

Trong ứng dụng khi bộ lọc cảm biến bị lỗi hay trôi không thể chấp nhận được, hãy sử dụng nhiều bộ nhạy thừa. Cách tiếp cận đơn giản nhất là bỏ phiếu đa số (nếu ba bộ cảm biến không đồng ý, các kỹ thuật tổng hợp nhạy tinh vi hơn được bỏ qua). Kỹ thuật tổng hợp nhạy điện tử dùng bộ lọc Kalman hoặc hiệu chỉnh lại hiệu ứng tích hợp dữ liệu từ loại cảm biến khác (v. d., bộ gia tốc và kính vạn năng để điều khiển chuyển động). Tính năng tự động cũng cho phép khả năng tự kiểm soát hoạt động, nơi một bộ cảm biến được tạm thời được lấy bộ nhạy được tách ra và so sánh với các bộ khác.

Bộ nhạy Analog số

Các cảm biến kỹ thuật số cho ra giá trị hơn I2C, SPI, hoặc C.A thường bao gồm bù về nhiệt độ, tuyến tính và giảm nhiễu. Chúng có thể đơn giản hóa thiết kế hệ thống và cải tiến tính chính xác tổng thể bằng cách di chuyển các biến đổi tương tự sang số gần thành phần cảm biến. Tuy nhiên, chúng cũng giới thiệu các số lượng đọc và tỷ lệ mẫu giới hạn. Các bộ cảm biến Analog (0- 10- 10- 10- 10- 20-A) dễ bị nhiễu hơn nhưng có thể lấy mẫu ở tỷ lệ rất cao hơn với ADC. Sự lựa chọn phụ thuộc vào các yêu cầu hệ thống.

Độ chính xác của cảm biến trong các ứng dụng vòng lặp khác nhau

Tự động hoá công nghiệp

Trong các nhà máy, việc điều khiển vòng khép kín được dùng để nhiệt độ, áp suất, dòng chảy, mức độ và vị trí. Bộ nhạy phải chịu đựng điều kiện khắc nghiệt (không gian, dao động, nhiệt độ cực đại). Nhu cầu chính xác khác nhau: bộ cảm biến bình phương cho một chất hóa học lớn có thể cần thiết chỉ có xét nghiệm chính xác Vậy, trong khi bộ phận cảm biến vị trí chính xác của CNC có thể đòi hỏi độ chính xác đổ bộ vi mô. Bảo trì thường xuyên và điều chỉnh lại là thực hiện các tính năng chuẩn. Nhiều bộ cảm biến hiện thời bao gồm tính năng tự bảo vệ bản thân có thể cảnh báo người điều khiển bị trôi chảy hay hư hỏng.

Hệ thống tự động chuyển động

Xe hơi hiện đại chứa hàng chục hệ thống vòng khép kín: quản lý động cơ (máy cảm biến oxy, cảm biến luồng khí khối, bộ cảm biến phản lực phản lực (máy cảm biến tốc độ), bộ điều khiển vận tốc điện tử (bộ điều khiển tốc độ, và bộ điều khiển du lịch (bộ cảm biến tốc độ). Sự chính xác của những bộ cảm biến này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiên liệu, an toàn và khí thải. Ví dụ, bộ cảm biến oxy trong ống xả phải đo chính xác tỷ lệ vận hành khí đốt (t-fuel) để giữ hiệu suất chuyển đổi khí; lỗi 1% có thể tăng đáng kể.

Không gian và phòng thủ

Trong máy bay và tàu vũ trụ, độ chính xác của cảm biến là vấn đề sinh động và chết. Đơn vị đo lường cơ bản (MMU) dùng máy gia tốc và kính hiển vi phải có độ siêu nhỏ vì không có vật chứa bên ngoài nào trong không gian sâu. Ngay cả lỗi nhỏ tích lũy qua thời gian, gây ra lỗi định vị. Các bộ lọc cảm biến tự động và bộ lọc Kalman là chuẩn. Chương trình [FL: 0] Chương trình khoa học không gian [FL: 0] [FL: FL1] cung cấp các ví dụ về độ chính xác của bộ cảm biến trong việc nghiên cứu không gian.

Thiết bị y tế

Thiết bị y tế khép kín bao gồm bơm insulin ( phản hồi nhạy cảm glucose), bộ lọc ( cảm biến áp suất/ lưu động) và hệ thống kiểm tra bệnh nhân. Những yêu cầu chính xác là cực kỳ chặt chẽ vì lỗi có thể trực tiếp gây hại cho bệnh nhân. Cảm biến y khoa phải phải thực hiện tính cân chỉnh nghiêm ngặt và hợp lệ trên mỗi tiêu chuẩn HTML. Lấy thí dụ, bộ theo dõi kỹ thuật phân tích kỹ thuật nhận dạng phân tích kỹ lưỡng (glum- mon) phải duy trì độ chính xác trong vòng 10-% của lượng đường huyết để tránh lỗi gây nguy hiểm.

Những cuộc đụng độ trong kỹ thuật cảm biến trong tương lai

MỘT SỰ TÂM và nhỏ bé

Hệ thống máy tính vi mô (MMS) đã giảm đáng kể kích cỡ và chi phí của cảm biến trong khi duy trì độ chính xác tốt. Thiết bị gia tốc, cảm biến áp suất, và kính hiển vi trong điện thoại thông minh là tất cả thiết bị MEMS. Khi công nghệ MEMS trưởng thành, chúng tôi đang nhìn thấy được cải thiện chính xác và ổn định, làm cho chúng thích hợp cho các ứng dụng vòng kín yêu cầu hơn như thiết bị ổn định và có thể sử dụng máy bay không người lái và các màn hình sức khỏe.

Bộ nhạy thông minh và tính cạnh

Cảm biến thông minh kết hợp năng lượng xử lý cục bộ, cho phép chúng thực hiện tự điều chỉnh, bồi thường cho hiệu ứng môi trường, và thậm chí báo động dự đoán bảo trì. Bằng cách chạy các thuật toán ở cấp độ cảm biến, chúng giảm tải tính toán trên bộ điều khiển trung tâm và có thể cải thiện độ chính xác thông qua các sửa chữa thời gian thực. Giao thức giao thức giao tiếp như O-Lik cho phép bộ cảm thông minh để chia sẻ dữ liệu chẩn đoán với hệ thống điều khiển.

Kiến thức trí tuệ nhân tạo và máy móc

AI và ML đang được sử dụng để mô phỏng sự trôi dạt, dự đoán lỗi và tối ưu hóa thời gian. Ví dụ, mạng thần kinh có thể học được mối quan hệ giữa nhiệt độ, rung động và kết quả cảm biến, rồi bù đắp cho hiệu ứng môi trường tự động. Trong tương lai, hệ thống vòng khép kín có thể dùng AI để điều chỉnh các tham số dựa trên đánh giá sức khỏe cảm biến thời gian thực, cải thiện tính chính xác của hệ thống tổng thể và độ đáng tin cậy hơn.

Kết luận

Sự chính xác của cảm biến là nền tảng mà hiệu suất của hệ thống vòng đóng đóng kết được đặt vào đó. không có sự đo lường trung thành, thậm chí là bộ điều khiển tinh vi nhất không thể duy trì sự ổn định, hiệu quả hay an toàn. bởi hiểu được những yếu tố làm giảm chính xác về môi trường từ ảnh hưởng của lão hóa - kỹ thuật viên và kỹ thuật viên có thể dùng những bước tích cực để chọn, cài đặt, tính hiệu quả và duy trì bộ cảm biến. Tính năng điện tử, điều chỉnh tín hiệu, và các công nghệ mới nổi như cảm biến thông minh và tính tự động tiếp tục đẩy các ranh giới của những gì có thể. Khi hệ thống tự động và kiểm soát trở nên phổ biến hơn bao giờ hết, sự chính xác sẽ tăng lên.