Jednoduché regulátory
Regulace je způsob řízení, které využívá zpětnou vazbu (zpětnovazební řízení).
Cílem regulace je zajistit požadovanou hodnotu řízené veličiny (např. teplotu v místnosti, hladinu v nádrži) nebo její požadovaný časový průběh (např. průběh teploty v místnosti podle denního či týdenního programu vytápění nebo teploty v chemickém reaktoru podle výrobní receptury).
Požadovanou hodnotu řízené (regulované) veličiny je třeba zajistit nejenom při změnách žádané hodnoty, ale i při působení poruchových veličin, které působí na řízenou soustavu a mnohdy mají nepředvídatelný charakter, např. tepelné ztráty a zisky ve vytápěné místnosti (snížení venkovní teploty, otevření okna, průvan, oslunění fasády a místnosti, zapnuté elektrické spotřebiče nebo přítomnost většího počtu lidí ve vytápěné místnosti).
Základní schéma regulačního obvodu je

 

 

 

 

 


Jeho vstupem je žádaná hodnota řízené (regulované) veličiny (značí se w) a výstupem je její skutečná hodnota (y). V diferenčním členu se vytváří jejich rozdíl, nazývaný regulační odchylka e = w -y, který je vstupem regulátoru R.. Ten ji zpracuje do formy akční veličiny u, která prostřednictvím akčních členů působí na regulovanou soustavu «S' tak, aby byla hodnota regulační odchylky minimalizována - aby se skutečná hodnota řízené veličiny y co nejvíce přiblížila její žádané hodnotě w.
Řízená soustava má spojitý charakter, spojitý je i průběh řízené veličiny y, a to v hodnotě i v čase. To znamená, že při jejím měření a zpracování můžeme rozlišit libovolně malé změny hodnoty, které se mohou spojitě měnit v čase (kdybychom zobrazili její časový průběh, dostaneme spojitý časový graf. Častěji se pro veličiny spojité v hodnotě a čase používá pojmenování analogové. Stejný (analogový) charakter může mít (ale nemusí) i signál z čidla řízené veličiny (např. elektrické napětí z termistoru nebo odporového čidla teploty), signál akční veličiny (např. napětí přiváděné na vstup servozesilovače pohonu ventilu, někdy i signál žádané veličiny (např. napětí z potenciometru).
Analogovým způsobem mohou pracovat i regulátory.
 Obvykle jsou publikovány vlastnosti analogových regulátorů typu P (proporcionální),  PI (proporcionálně integrační), PID (proporcionálně integračně derivační).

 

 


V současné době se ale používají téměř výhradně jejich číslicové ekvivalenty!

Typickou vlastností obvyklých regulátorů typu P, PI, a PID je lineární závislost mezi zpracovávanými veličinami.
Pro proporcionální regulátor (P) je akční veličina u přímo úměrná regulační odchylce e. Akční veličina proporcionálně- integračního regulátoru (PI) je součtem dvou složek - proporcionální (která je podobně jako u regulátoru P úměrná regulační odchylce) a integrační složky, která je úměrná nastřádané hodnotě regulační odchylky (jejímu integrálu).
Integrační složka umožňuje dosáhnout nulové ustálené hodnoty odchylky a překonat případné necitlivosti v oblasti malých akčních zásahů (např. „suché tření" v pohonu). Má setrvačný charakter a někdy může být zdrojem nestability nebo kmitavého průběhu regulačního procesu.
Výstup (akční veličina) proporcionálně - integračně -derivačního regulátoru (PID) obsahuje navíc ještě derivační složku.
Ta má „předvídavý charakter" a dává regulátoru schopnost okamžitého reagování na rychlé změny žádané ve­ličiny nebo na náhlé změny poruchových veličin (např. při otevření okna nebo oslunění místnosti).
Problémem je, že zesiluje i vysokofrekvenční šumy a může být proto zdrojem nestability! Principiální schéma regulátoru PID.
Někdy se používá dvojice regulátorů PI zapojená do kaskády (výstup prvního je přive­den na vstup druhého) a výsledný regulátor tak provádí dvojí integraci, někdy se pro tuto kombinaci používá označení PII nebo PI2.
Regulátory typu PID se označují jako lineární. Ve skutečnosti jsou lineární jen v určitém pásmu hodnot (pásmu proporcionality), mimo které se chovají nelineárně. Obvyklou nelinearitou je omezení akčního zásahu najedno ze dvou mezních hodnot, např. při úplném otevření či uzavření regulačního ventilu.
Analogové regulátory jsou obvykle realizovány s operačními zesilovači, jejichž aktivita je nepřetržitá a zpracování analogových signálů probíhá ve spojitém čase.
V současnosti se analogové regulátory používají jen výjimečně. Téměř výhradně se používají regulátory číslicové jejichž funkce je realizována programem - obvykle mikrořadiče, signálového procesoru, PC nebo programovatelného automatu. Navenek se takový regulátor opět jeví jako spojitý (na jeho vstupu a vystupuje opět analogový signál), někdy se nepřesně nazývá „analogový". V principu je ale takový regulátor nespojitý (diskrétní), a to hned ve dvou rozměrech - v hodnotě a v čase.
Nespojitost (diskrétnost) v hodnotě má původ v číslicovém kódování hodnot proměn­ných a v jejich číslicovém zpracování instrukcemi programu. Jestliže mezi dvěma hodnotami analogového signálu lze (teoreticky) rozlišit nekonečně mnoho mezihodnot, je rozlišení číslicového signálu vždy konečné a závisí na formátu zobrazení čísla v programovatelném systému. Např. při zobrazení ve formě dvojkových čísel v pevné řádové čárce v délce 8 bitů je rozlišení poměrně hrubé (1/256 rozsahu u kladných čísel nebo 1/128 u čísel se znaménkem). Při zobrazení na 16 bitech bývá rozlišení již vyhovující pro obvyklé úlo­hy (1/65 536 nebo 1/32 762 rozsahu) a při zobrazení ve formátu čísel s plovoucí řádovou čárkou již rozlišení není omezující. Rozlišení vstupních veličin je určeno provedením ana­logově - číslicového (A/D) převodníku v systému, zatímco rozsah zpracovávaných hodnot, výsledků a mezivýsledků lze poměrně snadno ovlivnit řešením programu.
Příčinou nespojitosti (diskrétnosti) v čase je skutečnost, že v jednoprocesorovém systé­mu je aktivní vždy jen jedna z instrukcí a výsledky úlohy regulátoru jsou k dispozici vždy až vykonání odpovídající posloupnosti instrukcí - obvykle po skončení programového cyklu, po ukončení přerušujícího programu nebo programu aktivovaného v pevném časovém rastru (intervalu aktivace). Jedním z možných způsobů, jak programem realizovat funkce regulátorů, je realizovat programem funkce integrátorů a jiných analogových funkčních bloků (modely analogových bloků), jejichž propojením je pak realizován regulátor, podobně jako v analogové technice. Přitom je žádoucí, aby programové modely byly aktivovány s co možná nejkratším intervalem, aby se vlastnosti modelů co nejvíce blížily jejich analogovým vzorům.
 
Někdy se pro takto realizovaný regulátor používá přívlastek „analogový", přestože je viditelně realizován programem a na číslicových principech.
Podstatně rozšířenější je přístup (zejména v praxi), který se nesnaží napodobovat fungování analogových regulátorů a přijímá přirozenou časovou nespojitost programové aktivace. Úloha regulátoru je aktivována v zadaných časových okamžicích, obvykle ekvidistantních (s pevným intervalem, krokem), jen výjimečně je krok nastavitelný nebo proměnný. Délka intervalu aktivace se volí v souladu s charakterem úlohy a s rychlostí řízeného procesu. Vzorkovací (aktivační) frekvence (převrácená hodnota intervalu aktivace) má být přinejmenším dvojnásobkem nejvyšší užitečné frekvence, obsažené ve vstupní veličině (regulační odchylce). Vyplývá to z Shannonova - Kotelníkovova vzorkovacího teorému. Není vhod­ná ani nadměrně vysoká vzorkovací frekvence. Pro obvyklé tepelné soustavy se obvykle volí interval aktivace v rozsahu jednotek až desítek sekund. Vzorkovací interval se obvykle označuje symbolem T. Místo časové proměnné (tradičně značené symbolem t) je zde jako měřítko času použit tzv. diskrétní čas tK = kT. Obvykle je diskrétní čas odměřován jen časovým indexem k, který má význam pořadového čísla intervalu (kroku) a současně i označuje i časové pořadí odpovídajících číselných hodnoty (vzorků) zpracovávaných proměnných. Indexu k odpovídá současný (aktuální) krok, index (k -1) označuje minulý krok.