
நிலையான பிழை என்பது ஒரு அமைப்பின் வெளியேற்றத்தின் விரும்பிய மதிப்பு மற்றும் உண்மையான மதிப்புகளுக்கு இடையேயான வித்தியாசமாகும். இது நேரத்தின் எல்லை நீட்டில் (அதாவது, கட்டுப்பாட்ட அமைப்பின் பதில் நிலையான நிலையை அடைந்திருக்கும்போது) வரையில் வரையறுக்கப்படுகிறது.
நிலையான பிழை ஒரு நேரியல் அமைப்பின் உள்ளே வெளியேற்ற பதிலின் ஒரு பண்பாகும். பொதுவாக, சிறந்த கட்டுப்பாட்ட அமைப்பு ஒன்று நிலையான பிழையை குறைவாக வைத்திருக்கும்.
முதலில், நாம் ஒரு முதல் வரிசை பரிமாற்ற சார்பின் நிலையான பிழையை அதன் நிலையான பதிலை பகுப்பாய்வு செய்து ஆலோசிப்போம். கீழே உள்ள பரிமாற்ற சார்பை எடுத்துக் கொள்வோம்:
இது ஒரு எளிய முதல் வரிசை பரிமாற்ற சார்பு, இதன் இலாபம் ஒன்றுக்கு சமமாகவும், நேர மாறிலி 0.7 விநாடிக்கு சமமாகவும் உள்ளது. இது முதல் வரிசை பரிமாற்ற சார்பு என்று அழைக்கப்படுகிறது, ஏனெனில் பகுதியிலுள்ள 's' இன் அதிகாரம் '1' ஆகும். இது இல்லையெனில்
, இது இரண்டாம் வரிசை பரிமாற்ற சார்பாக இருக்கும்.
இந்த பரிமாற்ற சார்பின் நிலையான உள்ளீட்டிற்கான பதில் பிரிவு-1 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. நிலையான நிலையில், வெளியேற்றம் உள்ளீட்டிற்கு சமமாக இருக்கிறது. எனவே நிலையான பிழை பூஜ்ஜியமாகும்.
இந்த சார்பின் அலகு வில்லு உள்ளீட்டுக்கு எதிரான பதில் படம்-2 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. தொடர்ச்சியான நிலையில் உள்ளீடு மற்றும் வெளியீடு இடையே ஒரு வேறுபாடு இருப்பதைக் காணலாம். எனவே, அலகு வில்லு உள்ளீட்டுக்கு தொடர்ச்சியான நிலைப் பிழை உள்ளது.
பல கட்டுப்பாட்டு அமைப்பு புத்தகங்களில் வில்லு உள்ளீட்டுக்கு எதிரான ஒரு வரிசை மாற்ற சார்பின் தொடர்ச்சியான நிலைப் பிழை நேரியல் கால மாறியின் சமம் என்று காணலாம். மேலே உள்ள படம்-2 ஐ காண்பதன் மூலம், இது உண்மையாக இருப்பதைக் காணலாம். t=3 விநாடிகளில், உள்ளீடு 3, வெளியீடு 2.3. எனவே, தொடர்ச்சியான நிலைப் பிழை 0.7, இது இந்த ஒரு வரிசை மாற்ற சார்பின் நேரியல் கால மாறியின் சமம்.
கீழ்க்கண்ட முக்கிய விபரங்களை கவனிக்கவும்:
உள்ளீடு பரவளைவு இருந்தால், தொடர்ச்சியான நிலைப் பிழை அதிகமாக இருக்கும், வில்லு உள்ளீட்டுக்கு போல் குறைவாக இருக்கும், கோடி உள்ளீட்டுக்கு இன்னும் குறைவாக இருக்கும். மேலே விபரிக்கப்பட்டபோது, தொடர்ச்சியான நிலைப் பிழை கோடி உள்ளீட்டுக்கு பூஜ்ஜியம், வில்லு உள்ளீட்டுக்கு 0.7 மற்றும் பரவளைவு உள்ளீட்டுக்கு ∞ என்பதைக் காணலாம்.
தொடர்ச்சியான நிலைப் பிழை உள்ளீட்டைப் பொறுத்தது, ஆனால் நிலைத்தன்மை உள்ளீட்டைப் பொறுத்தது இல்லை.
ஒரு மூடிய கட்டுப்பாட்டு அமைப்பின் உத்தரவினை சார்பு என்பதை எடுத்துக்கொள்வோம்
இங்கு சிறப்பு அறியலாக்கங்கள் தாவிர பொருள் கொண்டுள்ளன. அமைப்பின் நிலைத்தன்மை 1 + G(s)H(s) என்ற பகுதியில் சார்ந்து இருக்கிறது. '1 + G(s)H(s) = 0' என்பது அமைப்பின் நிலைத்தன்மையை குறிக்கும் சார்பு சமன்பாடு ஆகும். அதன் மூலங்கள் அமைப்பின் நிலைத்தன்மையைக் குறிக்கின்றன. தொடர்ச்சி நிலை பிழை R(s) மீது சார்ந்து இருக்கிறது.
ஒரு மூடிய கட்டுப்பாட்டு அமைப்பில் பிழை சிக்கல் பின்வருமாறு கணக்கிடப்படுகிறது
தொடர்ச்சி நிலை பிழை ess=
, இங்கு தொடர்ச்சி நிலை பிழை தொடர்ச்சி நிலையில் பிழை சிக்கலின் மதிப்பு ஆகும். இதிலிருந்து தொடர்ச்சி நிலை பிழை R(s) மீது சார்ந்து இருக்கிறது என்பதை அறியலாம்.
மேலே குறிப்பிட்டபடி, நிலைத்தன்மை 1 + G(s)H(s) என்ற பகுதியில் சார்ந்து இருக்கிறது. இங்கு '1' என்பது மாறிலி, எனவே நிலைத்தன்மை G(s)H(s) மீது சார்ந்து இருக்கிறது, இது சமன்பாட்டில் மாறுபடும் பகுதியாகும். எனவே, நீங்கள் Bode plot, Nyquist plot என்பவை G(s)H(s) மீது அமைந்துள்ளன, ஆனால் அவை
என்பதன் நிலைத்தன்மையைக் குறிக்கின்றன.
G(s)H(s) என்பது ஒரு திறந்த வளைவு மாற்றக் கோவை எனப்படும் மற்றும்
என்பது ஒரு மூடிய வளைவு மாற்றக் கோவை எனப்படும். G(s)H(s) என்ற திறந்த வளைவு மாற்றக் கோவையின் பகுப்பாய்வின் மூலம், நாம் Bode படம் & Nyquist படம் மூலம் மூடிய வளைவு மாற்றக் கோவையின் நிலைத்தன்மையைக் கண்டறியலாம்.
இப்போது, ஒரு அலகு படி உள்ளீடுடைய ஒரு மூடிய வளைவு கட்டுப்பாட்டு அமைப்பில் நிலையான நிலை பிழையை சில எண்ணியல் எடுத்துக்காட்டுகளுடன் விளக்குவோம்.
எடுத்துக்காட்டு-1:
பின்வரும் கட்டுப்பாட்டு அமைப்பை (அமைப்பு-1) காண்பிக்கும் படம்-3:
'Rs' என்பது ஒரு அலகு படி உள்ளீடு.
அமைப்பு-1 இன் வெவ்வேறு நிலையான நிலை மதிப்புகள் படம்-4 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன.
பிழைச் சிக்கலின் நிலையான மதிப்பு 0.5 என்பதால், நிலையான பிழை 0.5. அமைப்பு நிலையாக உள்ளதும், வெவ்வேறு சிக்கல்கள் மாறிலியாக இருக்கும்போது, பின்வருமாறு வெவ்வேறு நிலையான மதிப்புகளைப் பெற முடியும்:
உருமாற்ற சார்பில்
என்பதில், உருமாற்ற சார்பின் நிலையான இலாபத்தைப் பெற முடியும்.
நீங்கள் வெளியீட்டை பின்வருமாறு கணக்கிடலாம்:
= ஒரு அலகு படி உள்ளீடு =
என்பதை நினைவில் வைத்து, இதனை பின்வருமாறு மாற்றலாம்:
வெளியீட்டின் தனிநிலை மதிப்பு:
நாம் மேலே கூறிய முறையைப் பயன்படுத்தி எந்த சிக்னலின் தனிநிலை மதிப்பையும் கணக்கிடலாம். உதாரணமாக:
உள்ளீடு
(உள்ளீடு ஒரு அலகு படிவ உள்ளீடு)
அதன் தனிநிலை மதிப்பு=
= 1.
இதே போல், பிழை சிக்னலை கணக்கிட முடியும்:
பிழை சிக்கலின் நிலையான மதிப்பு (அதாவது நிலையான பிழை):
இதேபோல Figure-4 இல் காணப்படும் வழியில், உள்ளீடு மற்றும் வெளியீடு இடையேயான வித்தியாசம் 0.5. எனவே நிலையான பிழை 0.5.
நிலையான பிழையைக் கணக்கிடுவதற்கான மற்றொரு முறை பிழை மாறிலிகளைக் கண்டுபிடிப்பதில் அமைந்துள்ளது:
தொடக்க தவறு கெழு Kp =
, நீங்கள் Kp = 1, ess=
என்பதைக் கண்டுபிடிக்கவும். அதே விடையைக் கண்டுபிடிக்கவும்.
உள்ளீடு ஒரு தோராய உள்ளீடு என்றால், அதாவது
(இது ஒரு தோராய உள்ளீடு, ஆனால் அலகு தோராய உள்ளீடு அல்ல), தொடர்ச்சி நிலை தவறு ess= ![]()
உள்ளீடு ஒரு அலகு மாறுநிலை உள்ளீடு என்றால், வேக தவறு கெழு Kv=
, ess= ![]()
உள்ளீடு ஒரு அலகு பரவளைய உள்ளீடாக இருந்தால், திருப்புத்திறன் பிழைக் கெழு Ka=
, ess=
.
பிழை மாறிலிகள் Kp, Kv மற்றும் Ka ஆகியவற்றின் பகுப்பாய்வின் மூலம், நீங்கள் எவ்வாறு திசையான நிலை பிழை உள்ளீட்டின் மீது சார்ந்திருக்கிறது என்பதை அறியலாம்.
ஒரு PI கண்டிரோலர் (அதாவது, ஒரு இணைப்பு கண்டிரோலர் மற்றும் தொகை கண்டிரோலர்) திசையான நிலை பிழை (ess) ஐ குறைக்கிறது, ஆனால் நிலைத்தன்மையின் மீது எதிர்பாராத தாக்கம் ஏற்படுகிறது.
PI கண்டிரோலர்கள் ஒரு அம்சத்தின் திசையான நிலை பிழையை குறைக்கும் திறனை வைத்திருக்கின்றன, ஆனால் அது அம்சத்தின் நிலைத்தன்மையை குறைக்கும் திறனையும் வைத்திருக்கின்றன.
PI கண்டிரோலர் நிலைத்தன்மையை குறைக்கிறது. இதனால் தாம்பிங் குறைகிறது; PI கண்டிரோலரின் காரணமாக முன்னுருக்கம் அதிகமாகி, அமைதி நேரம் அதிகமாகிவிடும்; பெருமை சமன்பாட்டின் (மூடிய வடிவமான மாற்ற சார்பின் போல்கள்) மூலங்கள் கற்பனை அச்சின் அருகில் வரும். PI கண்டிரோலரின் காரணமாக அம்சத்தின் வரிசையும் அதிகரிக்கிறது, இது நிலைத்தன்மையை குறைக்கிறது.
இரு பெருமை சமன்பாடுகளை எடுத்துக் கொள்வோம், ஒன்று s3+ s2+ 3s+20=0, மற்றொன்று s2+3s+20=0. பார்வையால் நாம் உறுதிசெய்து கொள்ளலாம் முதல் சமன்பாட்டுடன் தொடர்புடைய அம்சம் இரண்டாவது சமன்பாட்டுடன் தொடர்புடைய அம்சத்தை விட குறைந்த நிலைத்தன்மையை வைத்திருக்கிறது. இதை சமன்பாட்டின் மூலங்களைக் கண்டுபிடித்து நீங்கள் உறுதிசெய்யலாம். எனவே, நீங்கள் உயர் வரிசையிலான பெருமை சமன்பாடுகள் குறைந்த நிலைத்தன்மையை வைத்திருக்கின்றன என்பதை அறியலாம்.
இப்போது, நாம் ஒரு PI கண்டிரோலரை (இணைப்பு கண்டிரோலர் மற்றும் தொகை கண்டிரோலர்) அம்சம்-1 (படம்-3) இல் சேர்க்கும் மற்றும் முடிவுகளை ஆராய்வோம். PI கண்டிரோலரை அம்சம்-1 இல் சேர்த்த பிறகு, பல திசையான நிலை மதிப்புகள் படம்-5 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன, வெளியீடு துல்லியமாக மேற்கோள் உள்ளீட்டிற்கு சமம் என்பதை அறியலாம். PI கண்டிரோலரின் நேர்மையான பகுதி, அது திசையான நிலை பிழையை குறைக்கிறது என்பதால் வெளியீடு மேற்கோள் உள்ளீட்டை பின்பற்ற முயற்சிக்கிறது.
PI கன்ட்ரோலரின் மாறிசைச் சார்பு கீழ்க்கண்டவாறு கணக்கிடப்படலாம்
அல்லது
ஒரு கேள்வி எழுகிறது, எஞ்சிய மாறிசைச் சார்பின் உள்ளீடு சுழியாக இருந்தால் அதன் வெளியீடும் சுழியாக இருக்க வேண்டும். எனவே, தற்போதைய விஷயத்தில் PI கன்ட்ரோலரின் உள்ளீடு சுழியாக இருக்கிறது, ஆனால் PI கன்ட்ரோலரின் வெளியீடு ஒரு முடிவுறு மதிப்பு (அதாவது 1). இந்த விளக்கம் எந்த கன்ட்ரோல் அமைப்பு புத்தகத்திலும் கொடுக்கப்படவில்லை, எனவே நாம் இங்கே விளக்குகிறோம்:
(1) எஞ்சிய பிழை சுழியாக இல்லை, அது சுழியை நோக்கி அணுகுகிறது, இதைப் போலவே ‘s’ சுழியுக்கு சமமாக இல்லை, அது சுழியை நோக்கி அணுகுகிறது, எனவே ஏதோ ஒரு நேரத்தில் எஞ்சிய பிழை 2x10-3, அதே நேரத்தில் ‘s’ (தனிப்பட்ட விஷயத்தில் PI கன்ட்ரோலரின் பகுதியில் ‘s’) மேலும் 2x10-3 என இருந்தால், PI கன்ட்ரோலரின் வெளியீடு ‘1’.
இதைத் தொடர்ந்து மற்றொரு கன்ட்ரோல் அமைப்பை பார்க்கலாம், படம்-6:
இந்த விஷயத்தில், நாம் சொல்லலாம், ஏதோ ஒரு நேரத்தில், எஞ்சிய பிழை 2x10-3, அதே நேரத்தில் ‘s’ 4×10-3; எனவே PI கன்ட்ரோலரின் வெளியீடு ‘0.5’. இதன் பொருள், ‘ess’ மற்றும் ‘s’ இரண்டும் சுழியை நோக்கி அணுகுகின்றன, ஆனால் அவற்றின் விகிதம் ஒரு முடிவுறு மதிப்பு.
கோட்பாடு அமைப்பு நூல்களில் s=0 அல்லது t=∞ என்பதை ஒருவர் காணாது; இதற்கு பதிலாக![]()
(2) இரண்டாவது விளக்கம் என்பது தொடர்ச்சி நிலை பிழை சுழியாக இருக்கும்போது, 's' மேலும் தொடர்ச்சி நிலையில் சுழியாக இருக்கும். PI கント்ரோலரின் பரிமாற்ற செயல்பாடு
. கணித நூல்களில், உங்கள் காணும்
வரையறுக்கப்படாதது, எனவே இது ஏதேனும் ஒரு முடிவுறு மதிப்பாக இருக்கலாம் (தெரிவு படம்-7).
(3) மூன்றாவது விளக்கம்,
ஒரு தொகையிடும் பொருள். உள்ளீடு சுழியாக இருந்தால், சுழியின் தொகையீடு வரையறுக்கப்படாதது. எனவே PI கன்ட்ரோலரின் வெளியீடு ஏதேனும் ஒரு முடிவுறு மதிப்பாக இருக்கலாம்.
ஒரு அடிப்படை வித்தியாசம்: திறந்த வளைவு கால்பாது அமைப்பு & மூடிய வளைவு கால்பாது அமைப்பு
மேலே விளக்கப்பட்ட விளக்கத்திற்கு பொருத்தமாக, நாம் திறந்த வளைவு கால்பாது அமைப்பு & மூடிய வளைவு கால்பாது அமைப்பு இவற்றிற்கு இடையே ஒரு அடிப்படை வித்தியாசத்தை விளக்குவோம். திறந்த வளைவு கால்பாது அமைப்பு & மூடிய வளைவு கால்பாது அமைப்பு இவற்றிற்கு இடையே உள்ள வித்தியாசங்களை நூல்களில் காணலாம்*, ஆனால் மேலே விளக்கப்பட்ட விளக்கத்துடன் தொடர்புடைய ஒரு அடிப்படை வித்தியாசம் இங்கே வழங்கப்படுகிறது மற்றும் நாம் நிச்சயமாக இது வாசகர்களுக்கு பயனுள்ளதாக இருக்கும் என நம்புகிறோம்.
ஒரு திறந்த வளைவு கால்பாது அமைப்பை பின்வருமாறு குறிக்கலாம்:
மூடிய சுற்று கட்டுப்பாட்டு அமைப்பு (feedback control system) கீழ்க்கண்டவாறு குறிக்கப்படலாம்:
கார்க்ஷனின் பரிவர்த்தன சார்பு குறிப்பிட்டது (கார்க்ஷனின் பரிவர்த்தன சார்பு சூழல் மாற்றங்கள், விதிவிலக்கங்கள் ஆகியவற்றினால் மாறிக்கொள்ளலாம்). எங்கள் உரையாடலில் H(s)=1 என எடுத்துக்கொண்டுள்ளோம்; ஒரு ஓபரேட்டர் கார்ட்டினின் பரிவர்த்தன சார்பை கட்டுப்பாட்டில் வைக்கலாம் (Kp, Kd, Ki) ஆகியவற்றின் புள்ளிவிவரங்களை மாற்றி வைக்கலாம்.
கார்ட்டினானது விகித கார்ட்டினாக (P controller), PI controller, PD controller, PID controller, Fuzzy logic controller ஆகியவற்றாக இருக்கலாம். கார்ட்டினின் இரு நோக்கங்கள் (i) நிலைத்தன்மையை நிர்ணயிக்க (damping என்பது 0.7-0.9 க்கு அருகில் இருக்க வேண்டும், peak overshoot மற்றும் settling time குறைவாக இருக்க வேண்டும்) (ii) steady-state error குறைவாக இருக்க வேண்டும் (இது பூஜ்ஜியமாக இருக்க வேண்டும்).
ஆனால் damping ஐ உயர்த்துவதன் மூலம் steady-state error உயரும். எனவே, கார்ட்டினை வடிவமைக்கும் போது இரு நோக்கங்களும் (stability & steady-state error) கட்டுப்பாட்டில் இருக்க வேண்டும். கார்ட்டினின் சிறந்த வடிவமைப்பு ஒரு பெரிய ஆராய்ச்சி தொகுதியாகும்.
முன்பு எழுதியதுபோல, PI controller ஆனது steady state error (ess) ஐ பெரிதும் குறைக்கும், ஆனால் stability ஐ எதிர்க்குறியில் தாக்கம் செலுத்தும்.
இப்போது, திறந்த சுற்று கட்டுப்பாட்டு அமைப்பு மற்றும் மூடிய சுற்று கட்டுப்பாட்டு அமைப்பு இவற்றின் ஒரு அடிப்படை வேறுபாட்டை விளக்குவோம், இது மேற்கூறிய விளக்கமுடன் தொடர்புடையது.
விளக்கம்-10 ஐ எடுத்துக்கொள்வோம்; இது திறந்த சுற்று கட்டுப்பாட்டு அமைப்பாகும்.
இந்த உள்ளீடு ஒரு அலகு படி உள்ளீடு என்க. எனவே, உள்ளீட்டின் நிலையான மதிப்பு ‘1’. வெளியீட்டின் நிலையான மதிப்பு ‘2’ எனக் கணக்கிடலாம். ஏதோ ஒரு காரணத்தால் தொழில்முறையின் கோப்பியச்சார்பு [G(s)] மாற்றம் ஏற்பட்டால், உள்ளீடு மற்றும் வெளியீட்டில் என்ன விளைவு ஏற்படும்? விடையாக தொழில்முறைக்கு உள்ளீடு மாறாமல், தொழில்முறையின் வெளியீடு மாறும்.
இப்போது படங்கள்-11 மற்றும் 12 ஐ எடுத்துக் கொள்வோம்
இவை இரண்டும் மூடிய வளைவு கட்டுப்பாட்டு அமைப்புகள். படம்-11 இல், ஏதோ ஒரு காரணத்தால் தொழில்முறையின் கோப்பியச்சார்பு மாற்றம் ஏற்பட்டால், உள்ளீடு மற்றும் வெளியீட்டில் என்ன விளைவு ஏற்படும்? இந்த வழியில், தொழில்முறைக்கு உள்ளீடு மாறும், தொழில்முறையின் வெளியீடு மாறாமல் இருக்கும். தொழில்முறையின் வெளியீடு விதிமுறை உள்ளீட்டை பின்பற்ற முயற்சிக்கிறது.
படம்-12 புதிய நிலைகளை காட்டுகிறது, இதில் தொழில்முறையின் அளவுகள் மாறியுள்ளன. தொழில்முறையின் உள்ளீடு 0.5 இருந்து 0.476 ஆக மாறியதைக் காணலாம், ஆனால் வெளியீடு மாறவில்லை. இரு வழிகளிலும் PI கட்டுப்பாட்டுக் கட்டமைப்பிற்கு உள்ளீடு பூஜ்யம், PI கட்டுப்பாட்டுக் கட்டமைப்பின் விதிமுறைகள் ஒரே மாதிரியாக இருந்தாலும் PI கட்டுப்பாட்டுக் கட்டமைப்பின் வெளியீடு வேறுபடுகிறது.
எனவே, திறந்த வளைவு கட்டுப்பாட்டு அமைப்பில் தொழில்முறையின் வெளியீடு மாறும், மூடிய வளைவு கட்டுப்பாட்டு அமைப்பில் தொழில்முறைக்கு உள்ளீடு மாறும் என உங்களுக்கு புலமையும்.
கட்டுப்பாட்டு அமைப்புகளின் புத்தகங்களில் கீழ்க்காணும் கூற்றைக் காணலாம்:
"ஒரு தொழில்நடத்தி மாறிச் சார்பின் அளவு மாறும்போது, மூடிய வடிகல் கட்டுப்பாட்டு அமைப்பு திறந்த வடிகல் கட்டுப்பாட்டு அமைப்பை விட குறைந்த உடனடி திரும்பத்திற்கு ஏற்ப இருக்கும்" (அதாவது, மூடிய வடிகல் கட்டுப்பாட்டு அமைப்பின் வெளியீட்டில் ஏற்படும் மாற்றம் திறந்த வடிகல் கட்டுப்பாட்டு அமைப்பை விட குறைவாக இருக்கும்).
இந்த கட்டுரையில் வழங்கப்பட்ட எடுத்துக்காட்டுகளுடன் மேலே உள்ள கூற்று தெளிவாக இருக்கும் என நம்புகிறோம்.
___________________________________________________________________
*Dear Electrical4U readers, please note that the purpose of this article is not to reproduce the topics already available in the books; but our aim is to present various complex topics of Control Engineering in easy language with numerical examples. We hope this article will be helpful to you to understand various complexities about steady-state error & PI controllers.
Statement: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.