Arten von Steuerungssystemen | Lineare und nicht lineare Steuerungssysteme

Ein Regelungssystem ist ein System von Geräten, das andere Geräte steuert, befehligt, leitet oder regelt, um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen. Mit anderen Worten, die Definition eines Regelungssystems kann vereinfacht als ein System beschrieben werden, das andere Systeme steuert, um einen gewünschten Zustand zu erreichen. Es gibt verschiedene Arten von Regelungssystemen, die grob in lineare Regelungssysteme und nicht-lineare Regelungssysteme eingeteilt werden können. Diese Arten von Regelungssystemen werden im Folgenden detailliert besprochen.

Lineare Regelungssysteme

Um das lineare Regelungssystem zu verstehen, sollten wir zunächst das Superpositionsprinzip verstehen. Das Superpositionsprinzip umfasst zwei wichtige Eigenschaften, die unten erklärt sind:
Homogenität: Ein System wird als homogen bezeichnet, wenn wir den Eingang mit einer Konstanten A multiplizieren, dann wird auch der Ausgang mit dem gleichen Wert der Konstanten (d.h. A) multipliziert.
Additivität: Nehmen wir an, wir haben ein System S und geben diesem System zum ersten Mal den Eingang a1 und erhalten den Ausgang b1 entsprechend dem Eingang a1. Zum zweiten Mal geben wir den Eingang a2 und erhalten den Ausgang b2.

Nehmen wir nun an, dass wir diesmal eine Summe der vorherigen Eingänge (d.h. a1 + a2) als Eingang geben und entsprechend diesem Eingang den Ausgang (b1 + b2) erhalten, dann können wir sagen, dass das System S die Additivitätseigenschaft aufweist. Nun können wir lineare Regelungssysteme als jene Arten von Regelungssystemen definieren, die das Prinzip der Homogenität und Additivität folgen.

Beispiele für Lineare Regelungssysteme

Betrachten Sie ein rein ohmsches Netzwerk mit einer konstanten Gleichspannungsquelle. Dieses Schaltkreis folgt dem Prinzip der Homogenität und Additivität. Alle unerwünschten Effekte werden vernachlässigt und unter der Annahme idealen Verhaltens jedes Elements im Netzwerk sagen wir, dass wir lineare Spannungs- und Stromcharakteristiken erhalten. Dies ist ein Beispiel für ein lineares Regelungssystem.

Nicht-lineare Regelungssysteme

Wir können ein nicht-lineares Regelungssystem einfach als ein Regelungssystem definieren, das nicht dem Prinzip der Homogenität folgt. Im echten Leben sind alle Regelungssysteme nicht-lineare Systeme (lineare Regelungssysteme existieren nur in der Theorie). Die Beschreibende Funktion ist ein Näherungsverfahren zur Analyse bestimmter nichtlinearer Regelungsprobleme.

Beispiele für Nicht-lineare Systeme

Ein bekanntes Beispiel für ein nicht-lineares System ist eine Magnetisierungskurve oder die Leerlaufkurve eines Gleichstrommaschinen. Wir werden hier kurz die Leerlaufkurve von Gleichstrommaschinen diskutieren: Die Leerlaufkurve zeigt uns das Verhältnis zwischen der Luftspaltflussdichte und dem Feldwickeldrehmoment. Es ist aus der unten gezeigten Kurve sehr deutlich, dass am Anfang ein linearer Zusammenhang zwischen dem Wickeldrehmoment und der Luftspaltflussdichte besteht, aber danach tritt eine Sättigung auf, die das nichtlineare Verhalten der Kurve oder die Charakteristika des nicht-linearen Regelungssystems zeigt.

Analoges oder kontinuierliches System

In diesen Arten von Regelungssystemen haben wir ein kontinuierliches Signal als Eingang für das System. Diese Signale sind eine kontinuierliche Funktion der Zeit. Wir können verschiedene Quellen für kontinuierliche Eingangssignale haben, wie sinusförmige Eingangssignalquellen, quadratische Eingangssignalquellen; das Signal kann in Form eines kontinuierlichen Dreiecks usw. sein.

Digitales oder diskretes System

In diesen Arten von Regelungssystemen haben wir ein diskretes Signal (oder das Signal kann in Form eines Pulses sein) als Eingang für das System. Diese Signale haben einen zeitlich diskreten Intervall. Wir können verschiedene Quellen für kontinuierliche Eingangssignale, wie sinusförmige Eingangssignalquellen, quadratische Eingangssignalquellen usw., mithilfe eines Schalters in eine diskrete Form umwandeln.
Nun gibt es verschiedene Vorteile von diskreten oder digitalen Systemen gegenüber analogen Systemen, und diese Vorteile sind unten aufgelistet:

1. Digitale Systeme können nicht-lineare Regelungssysteme effektiver behandeln als analoge Systeme.

2. Die Leistungsaufnahme bei diskreten oder digitalen Systemen ist geringer im Vergleich zu analogen Systemen.

3. Digitale Systeme haben eine höhere Genauigkeit und können verschiedene komplexe Berechnungen leichter durchführen als analoge Systeme.

4. Die Zuverlässigkeit von digitalen Systemen ist höher im Vergleich zu analogen Systemen. Sie haben auch eine kleine und kompakte Größe.

5. Digitale Systeme arbeiten mit logischen Operationen, was ihre Genauigkeit erheblich erhöht.

6. Die Verluste bei diskreten Systemen sind im Allgemeinen geringer als bei analogen Systemen.

Ein-Eingang-Ein-Ausgang-Systeme

Diese werden auch als SISO-Systeme bezeichnet. In diesem System hat das System einen Eingang für einen Ausgang. Verschiedene Beispiele für solche Systeme können Temperaturregelungen, Positionsregelsysteme usw. sein.

Mehrere-Eingänge-Mehrere-Ausgänge-Systeme

Diese werden auch als MIMO-Systeme bezeichnet. In diesem System hat das System mehrere Ausgänge für mehrere Eingänge. Verschiedene Beispiele für solche Systeme können PLC-Systeme usw. sein.

Lumpierte Parameter Systeme

In diesen Arten von Regelungssystemen werden die verschiedenen aktiven und passiven Komponenten als an einem Punkt konzentriert angenommen, daher werden diese als lumpierte Parameter-Systeme bezeichnet. Die Analyse solcher Systeme ist sehr einfach und umfasst Differentialgleichungen.

Verteilte Parameter Systeme

In diesen Arten von Regelungssystemen, werden die verschiedenen aktiven (wie Spulen und Kondensatoren) und passiven Parameter (Widerstände