Bij het sturen is er een open lus: het typisch voorbeeld is de voorwaartse regeling die bij vloerverwarming toegepast wordt. Aan de hand van de buitentemperatuur (die de verliezen bepaalt) gaat men de watertemperatuur aanpassen, en dus de verliezen proberen te compenseren. De binnentemperatuur speelt hier geen rol. Er is geen gesloten lus, er is geen regelsysteem. Bij het sturen houdt men geen rekening met de gevolgen.

Bij het regelen is er een gesloten lus: men probeert de temperatuur te stabiliseren (setwaarde) door de brander in en uit te schakelen (sturing). De sensor is de thermostaat (bi-metaal) en de regelaar de schakelaar (alles of niets regelsysteem).

Veel systemen zijn zelfregulerend (rode curve links die naar een maximum neigt maar er niet over kan). Als men de brander constant laat branden, dan komt er een ogenblik dat de kamertemperatuur niet meer verder stijgt omdat de verliezen groter en groter worden en op een bepaald ogenblik even groot worden als de warmteaanvoer.

Systemen die zelfregulerend zijn, zijn normaal gemakkelijker te stabiliseren. Een motor die gebruikt wordt in servo-regelingen is niet zelfregulerend: legt men een spanning aan, dan blijft de motor draaien tot die tegen de eindeloop stoot.

Om een systeem te analyseren veranderd men de setwaarde en kijkt men naar de respons van het systeem. Men onderscheid verschillende soorten zelfregulerende systemen

• Systemen van de nulde graad waarbij het effekt van de sturing ogenblikkelijk merkbaar is.
  In de praktijk wordt de fout (bijna) direct gecompenseerd.
  Een voorbeeld is een gloeilamp waarbij de helderheid door een lichtsensor geregeld wordt: als de gevraagde lichtsterkte hoger ingesteld wordt, dan gaat de lamp direct helderder branden.
  Deze systemen zijn gemakkelijk te regelen en een eenvoudige proportionele regelaar is voldoende.

• Systemen van de eerste graad, waarbij de verandering van de input een direct effekt heeft.
  In de praktijkbegint de regeling direct te werken maar de fout wordt niet ogenblikkelijk weggewerkt.
  Een voorbeeld is de hete lucht blazer met vermogensregeling: als men de thermostaat verhoogt, gaat de straler direct meer warmte produceren. De temperatuur in de ruimte begint ogenblikkelijk te stijgen maar de setwaarde wordt niet direct bereikt.
  Deze systemen zijn moeilijker perfect stabiel te houden en men zal de regelaar moeten parametreren (proportioneel en differentieel component). In niet-kritische toepassingen is een gewone P-regelaar echter voldoende.

• Systeem van de tweede graad treed het effekt pas geleidelijk op. Het effect wordt meer en meer voelbaar en uiteindelijk bekomt men hier ook een evenwicht als het systeem zelfregulerend is.
  Een voorbeeld is de centrale verwarming: het verhogen van het brandervermogen heeft niet direct een effekt op de temperatuur in de kamers omdat het water eerst opgewarmd moet worden. Ook een olieradiateur is een systeem van de tweede graad omdat bij het verhogen van de setwaardeg eerst de olie opgewarmd wordt, en dan pas de lucht (cfr. de hete lucht blazer die de lucht direct opwarmt).
  Deze systemen zijn moeilijk stabiel te houden omdat men rekening moet houden met een vertraging: het regelsignaal heeft pas een vertraagde invloed op het syteem. Tegenwoordig worden er hier zelflerende regelaars toegepast die de parameters analyseren en de juiste mate van I en D-gedrag toevoegen.

Systemen kunnen een dode tijd hebben als het effekt niet direct merkbaar is. Een typisch voorbeeld is een hoogoven waar men de temperatuur probeert te regelen door de hoeveelheid cokes te doseren. De cokes die in de oven ingebracht worden, worden pas uren later verbrand. Een regeling die enkel zou werken met de hoeveelheid cokes zou de oven nooit stabiel kunnen laten werken (voor de fijnregeling spuit men ook steenkool in de verbrandingskamer zelf). Lees verder hoe de dode tijd opgevangen kan worden.

Veronderstel nu een koudegolf. De verliezen worden groter, de watertemperatuur van 50° voldoet niet meer om de ruimte op 18° te houden. De regelaar merkt dat de ruimtetemperatuur niet meer gehaald wordt en zal de watertemperatuur opvoeren naar bijvoorbeeld 60°. De watertemperatuur wordt proportioneel bijgeregeld door het verschil in temperatuur tudden de gevraagde temperatuur en de gemeten temperatuur.

Om de watertemperatuur op 60° te houden, moet er echter een verschil zijn tussen de set-waarde en de effektieve ruimtetemperatuur. De effektieve ruimtetemperatuur blijft dus constant onder de setwaarde zodat de regelaar de watertemperatuur kan opvoeren om de verhoogde verliezen te compenseren.

Men kan echter de constante fout bijwerken door de I-regelaar (integrerend). De constante fout zal automatisch de watertemperatuur laten stijgen, todat de fout weggewerkt is. De ruimtetemperatuur is nu 18° en de watertemperatuur is ingesteld op 60°. Maar als nu de koudegolf verdwenen is, dan is de ruimtetemperatuur nu te hoog: er zijn immers minder verliezen, en een watertemperatuur van 60° is nu te hoog.

Uiteindelijk zal deze fout ook langzaam weggewerkt worden door de I-regelaar. Maar het kan beter. Ik gebruik namelijk direct de buitentemperatuur om het regelgedrag van de verwarming bij te stellen. Dit is heel eenvoudig: als het buiten koud is, dan verhoog ik intern de setwaarde (de setwaarde is nu 18.5° in plaats van 18.0° geworden bij koud weer). Dit is een vorm van voorwaartse regeling. Als de voorwaartse regeling goed berekend is, dan kan deze de droop perfekt wegwerken zonder pendelgedrag (een voorwaartse regeling heeft nooit een pendelgedrag).

Vaak wordt er ook een D regeling toegepast (differentiëel). De bedoeling is hier overshoot tegen te gaan. Als de ruimtetemperatuur stijgt, dan wordt de setwaarde intern verlaagt van 18.0° naar 17.5°. De ruimtetemperatuur zal dus in theorie naar 17.5° neigen. Maar als de temperatuurstijging minder wordt (omdat de setwaarde bijna bereikt wordt), dan werkt de correctie ook minder en verhoogt de setwaarde automatisch weer naar 18.0°.

De D-regeling onderdrukt dus de overshoot en het pendelgrdrag, maar maakt de regeling wat trager. Vaak is er een verschillende parametrering voor een stijgende en dalende ruimtetemperatuur.

De setwaarde van 18° verandert niet, maar wordt wel intern aangepast, bijvoorbeeld naar 18.5° als het zeer koud is buiten, of naar 17.5° als de binnentemperatuur snel aan het stijgen is. Beide waarden zijn natuurlijk proportioneel en hangen af van de effectieve buitentemperatuur en de mate van stijging van de ruimtetemperatuur. Beide effekten worden bij elkaar opgeteld.

En je dacht dat een regelsysteem voor je centrale verwarming ontwerpen een eenvoudige klus was? Gelukkig wordt al het werk in software uitgevoerd (dat is ook het geval met commerciele centrale verwarmingsinstallaties).

Dubbele regellus

We hebben een transportband aangedreven door een motor M1 gerstuurd door een frekwentieregelaar VFD (Variable Frequency Drive). Het ciment loopt op een transportband de oven in en wordt gedroogd door een hete luchtstroom (het ciment beweegt tegen de luchtstroom in). Op het einde van de oven wordt de watergehalte van het ciment gemeten door een infra-rood sensor (IR). De setwaarde %H2O wordt ingesteld om aan de normen te voldoen.

De twee variabelen in het systeem zijn de hoeveelheid ciment dat op de band ligt en de watergehalte van het ciment. Als de vochtigheid niet correct is, dan wordt de band versneld of vertraagd, dit is onze hoofdlus. Maar als de senor een te hoge watergehalte meet, dan is het al te laat: de band vertragen zal niet veel invloed hebben op het produkt dat uit de oven komt.

Maar we kunnen een tweede lus inbouwen. We kunnen de luchttemperatuur meten bij het verlaten van de oven (dus daar waar het ciment ingebracht wordt). Dit gebeurt door een thermokoppel of een Pt100 (temperatuursensor T). Bij een afwijking van de temperatuur wordt de verwarming bijgesteld (gestuurde gasbrander TC (Temperature Control)). De binnenste lus is een normale proportionele regelaar, eventueel aangevuld met een differentiele regeling om de stabiliteit te verbeteren. De setwaarde t werd voordien proefondervindelijk bepaald en moet niet meer gewijzigd worden.

Om de buitenlus te regelen (transportband) kunnen we echter degegevens van de temperatuursensor gebruiken. Als er meer ciment aangevoerd wordt of als er meer water in het ciment zit, dan zal de temperatuur dalen. Als we de snelheid van de transportband verlagen, dan heeft het ciment de tijd om correct te drogen. Is het systeem goed ingesteld, dan is het verschil weggewerkt op het einde van de transportband.

Voorwaartse regeling

Misschien kunnen we een model maken van het process. We bekomen een foutsignaal, maar zonder de vertraging eigen aan het industrieel process. Dit signaal kunnen we als feedbacksignaal gebruiken. De correcte werking van het systeem hangt in grote mate af van de conformiteit van het model A' met het echte procédé A. Hoe beter die overeenkomen, hoe beter de regeling zal zijn.

Moeten we het meetsignaal (blauw) op de uitgang van het process dan overboord gooien? Neen, we gaan die gebruiken met een hoge integratietijd (vandaar PIR). De blauwe tegenkoppeling corrigeert het process over de tijd, terwijl het model de snelle veranderingen opvangt.

De voorwaartse regeling wordt hier verder in detail besproken.