Dziś precyzyjne sterowanie automatyką kotłową przy wykorzystaniu zewnętrznej automatyki wydaje się czymś oczywistym, choć tak naprawdę stało się faktem w ostatnich latach – tu zakres czasowy jest dyskusyjny zależnie od tego, jak interpretuje się słowo „precyzyjne”. Co więcej: stosowane rozwiązania kojarzy się głównie z techniką grzewczą, chociaż czasem powstawały one w zupełnie innym kontekście i równolegle funkcjonują w innych dziedzinach życia. Przyjrzyjmy się zatem pokrótce historii sterowania dopływem ciepła do pomieszczeń ze źródła ciepła (kotła grzewczego) oraz rozwoju automatyki, sięgając na początek… do technologii stosowanej podczas misji kosmicznej.

Niestety, niepowodzeniem skończyła się misja polskiego Kreta na Marsie wysłanego w sondzie misji InSight. Kret to specjalnie skonstruowany robot, którego zadaniem było wbicie się pod powierzchnię Marsa, aby zbadać właściwości cieplne gruntu. Po ponad dwóch latach prób urządzeniu nie udało się wbić w marsjański grunt na więcej niż 7 cm, ze względu na to, że grunt ten ma odmienne właściwości od tych, na które robot został zaprojektowany. Trzeba powiedzieć, że podjęto wiele prób w różnych konfiguracjach urządzenia, jednak ostatecznie 15 stycznia 2021 r. NASA ogłosiła koniec misji Kreta.

Tych wiele prób w różnych konfiguracjach urządzenia oznacza, że było ono sterowane z Ziemi. Jednak sterowanie robotem na Marsie to nie taka prosta sprawa, zważywszy że sygnał radiowy dociera stamtąd do Ziemi z opóźnieniem od około 3 min do ponad 22 min w zależności od aktualnej odległości między tymi dwiema planetami. Odległość ta waha się w zakresie od około 50 mln km do ponad 400 mln km. Gdy sygnał wysłany z sondy dotrze do Ziemi, tu następuje analiza i decyzja, co dalej robić. Aby sonda mogła wykonać nowe zadania, sygnał znów musi dolecieć do Marsa. W praktyce do komunikacji stosowane są fale z pasma X-band o częstotliwości od 7,25 do 8,4 MHz.

Nawiązując do naszego zasadniczego tematu, można powiedzieć, że podejmowane próby zagłębienia się przez Kreta w marsjański grunt i otrzymywane efekty w pewnym zakresie przypominały działanie klasycznego układu regulacji, o którym opowiem w naszym minicyklu. Wcześniej przypomnę jednak, jak wyglądały początki automatyzacji.
Wszystko – zgodnie ze znanym materiałem historycznym – zaczęło się od rozwoju techniki grzewczej, a pierwszym sposobem regulacji stosowanym w technice kotłowej (przed termostatami i regulatorami ciągłymi) była regulacja ręczna, czyli w zasadzie brak automatyzacji.

Początki techniki grzewczej i regulacji
Przyjmuje się, że około 100 000 lat p.n.e. (niektóre źródła mówią nawet o 750 000 lat p.n.e.) nauczyliśmy się rozpalać i kontrolować ogień. Ogień używany był wtedy jako źródło ciepła i światła. Potem, w miarę rozwoju cywilizacji, pojawiały się kolejne systemy ogrzewania domów – najpierw w postaci palenisk lub tzw. hypocaustu, polegającego na rozprowadzaniu ciepłego powietrza pod podłogą (II w. p.n.e.). Dopiero w XII w. zaczęto stosować kominki, a wraz z nimi systemy służące wdmuchiwaniu ogrzanego powietrza do pomieszczeń. Rozwiązania te można zobaczyć zwiedzając zamek w Malborku czy też pałac w Kliczkowie na Dolnym Śląsku (w Kliczkowie zachował się piec wykorzystywany do tego typu ogrzewania). Pięć wieków później, w XVII w., niejaki Cornelius Jacobszoon Drebbel miał stworzyć termostatyczny regulator paleniska i ten czas uznawany jest za kamień milowy w rozwoju automatyki. Drebbel stworzył pierwszy na świecie przemysłowy regulator ze sprzężeniem zwrotnym (i w dodatku dla ogrzewania!). Piece kaflowe i ogrzewanie wodne zaczęto budować od XVIII w. W Pałacu Letnim w Sankt Petersburgu zainstalowano np. system porcelanowych rur do rozprowadzania ogrzanej wody. Źródłem ciepła był tutaj centralnie położony kocioł. Później, w związku z rewolucją przemysłową, w technice grzewczej (i nie tylko) pojawiły się kotły parowe.

We wszystkich powyższych systemach regulacja ilości wydzielanego ciepła generalnie polegała na ręcznym dokładaniu do ognia paliwa (żartownisie ten rodzaj regulacji nazywają „szuflomatikiem”). W przypadku kotłów wodnych czy parowych ich obsługą zajmowali się tzw. palacze, których zadaniem było utrzymanie właściwej temperatury wody w kotle lub właściwego ciśnienia pary. Należy przypomnieć, że kotły parowe zasilały silniki parowe. W roku 1784 w silnikach parowych pojawił się pierwszy mechaniczny, odśrodkowy regulator obrotów silnika, skonstruowany przez James’a Watt’a. Kolejnym wielkim krokiem w rozwoju regulatorów był początek XX w., kiedy regulatory zaczęto stosować do sterowania statkami.
Najprostsze regulatory i termostaty kotłowe
Jednym z pierwszych regulatorów stosowanych w kotłach na paliwo stałe jest używany do dzisiaj miarkownik ciągu, który działa tak jak głowica termostatyczna w grzejniku. Pod wpływem ciepła substancja czynna rozszerza się, powodując przymykanie klapy dopływu powietrza do paleniska.

Z chwilą pojawienia się kotłów gazowych, pojawiły się również termostaty kotłowe, których zadaniem było utrzymanie stałej temperatury na kotle. Poniżej zadanej temperatury automatyka kotła załączała palnik (w najprostszym przypadku) jednostopniowy. Było to działanie typu ON/OFF.
! Warto wspomnieć, że teoria automatyki wyróżnia układy o działaniu ciągłym oraz układy o działaniu nieciągłym (przerywanym). Przykładem regulatora o działaniu ciągłym jest miarkownik ciągu, który na bieżąco w stosunku do temperatury kotła zmienia położenie klapy dopływu powietrza. Przykładem regulatora o działaniu przerywanym jest z kolei termostat kotła gazowego, działający tylko w przypadku istotnych zmian regulowanego parametru.

Dzięki termostatowi kotłowemu kocioł zapewniał stałą temperaturę wody grzewczej, niezależnie od tego, czy w pomieszczeniu było za zimno, czy akurat za ciepło. Naturalnie, w przypadku, gdy w pomieszczeniu było za ciepło powstawały znaczne straty energii, ponieważ temperaturę regulowało się wówczas przez otwieranie okien. Aby zapobiec tym stratom, zaczęto stosować termostaty pokojowe. Ich zadaniem jest wyłączenie kotła, kiedy pomieszczenia są już nagrzane.

Termostaty pokojowe i dwustopniowe
Termostat pokojowy, np. zawieszony w pomieszczeniu reprezentatywnym, najczęściej może przyjmować dwa stany logiczne:

• ROZWARTY – osiągnięta temperatura w pomieszczeniu, np. t_pom. ≥ 20°C, czyli wyłącz kocioł;
• ZWARTY – za zimno, gdy rzeczywista temperatura w pomieszczeniu jest poniżej nastawionej, np. t_pom. < 20°C, czyli włącz kocioł

To nadal bardzo popularny sposób sterowania pracą kotła w najprostszych układach z kotłem i jednym obiegiem grzewczym, bez mieszacza (rys. 2).

Zastosowanie termostatów w pomieszczeniach pozwoliło na zmniejszenie strat ciepła, ale nie wyeliminowało wszystkich problemów. W praktyce termostaty charakteryzują się pewnym obszarem „nieokreśloności”, zwanym histerezą. Gdy nastawi się temperaturę w pomieszczeniu np. na 20°C, termostat załączy kocioł przy temperaturze pomieszczenia 19°C, a wyłączy kocioł, jeżeli temperatura przekroczy 21°C. W tym przypadku histereza wynosi 2°C (za dużo jak na nasze możliwości odczuwania komfortu cieplnego).

Przykładem termostatu, który przyjmuje więcej stanów logicznych, jest termostat kotłowego regulatora stałotemperaturowego, którego zadaniem jest wysterowanie palnika dwustopniowego. Termostat taki (jako urządzenie) składa się niejako z dwóch termostatów: osobno dla pierwszego i drugiego stopnia. W tym konkretnym układzie (regulatora kotłowego) mamy trzy możliwe stany logiczne (rys. 3):

• temperatura kotła wzrasta: termostat 1-stopnia ZWARTY i 2-stopnia ROZWARTY (kocioł blisko temperatury oczekiwanej), np. t_kotła > 77,5°C;
• temperatura kotła wzrasta: termostaty 1-stopnia i 2-stopnia ROZWARTE (kocioł przegrzany), np. t_kotła > 80°C zamiast oczekiwanych 80°C;
• temperatura kotła opada: termostat 1-stopnia ZWARTY i 2-stopnia ROZWARTY (temperatura kotła zmniejsza się), np. t_kotła > 74,5°C;
• temperatura kotła opada: termostaty 1-stopnia i 2-stopnia ZWARTE (kocioł zimny lub temperatura zbyt niska), np. t_kotła < 72°C.

Termostaty nie zapewniają dużej dokładności sterowania ze względu na zjawisko histerezy oraz na przerywany charakter pracy. Dlatego musiały pojawić się regulatory o działaniu ciągłym.

Regulatory o działaniu ciągłym… jak InSight
Na początku były to regulatory tylko z tzw. członem proporcjonalnym. Schemat takiego regulatora pokazuje rys. 4. W celu wytłumaczenia ich działania, posłużmy się przykładem sondy InSight. W dużym uproszczeniu, w przypadku misji tej sondy:

• sygnałem zadanym w (t) (rys. 4) była misja zagłębienia się na ponad 5 m w grunt Marsa w celu zbadania jego geologii;
  węzłem sumującym (kółko z krzyżykiem na rys. 4) było miejsce, gdzie wpływały dane dotyczące aktualnego zagłębienia się Kreta w marsjański grunt; w miejscu tym wyniki były porównywane z wartością zadaną zagłębienia;
• sygnałem e (t), zwanym uchybem, była w tym wypadku zbyt mała (jak na zainwestowane w misję 993 mln $) głębokość zagłębienia się Kreta w marsjański grunt;
• regulatorem było centrum kontroli NASA na Ziemi, które generowało przez ponad 2 lata sygnały sterujące u (t), mające skłonić końcówkę pomiarową Kreta do planowanego (5 m) zagłębienia się w grunt;
• elementem wykonawczym była sonda, która przekazywała do obiektu regulacji wymuszenie u* (t), przy czy obiekt regulacji to końcówka Kreta mająca się zagłębić w marsjański grunt;
• zakłóceniem z (t) były odmienne od zakładanych właściwości marsjańskiego gruntu w miejscu lądowania sondy;
• sygnał wyjściowy y (t), jak wiemy, był niezadowalający (zbyt małe zagłębienie); w związku z tym elementy pomiarowe, którymi były czujniki zainstalowane na sondzie, w tym kamery dostarczające obraz (zdjęcie pokazane w artykule), przekazywały do węzła sumującego sygnał zwrotny v (t).

I tak ten układ sprzężenia zwrotnego funkcjonował przez ponad 2 lata. Niestety, bez powodzenia.! Działanie automatyki kotłowej służącej do regulacji temperatury wody w obiegu grzewczym lub temperatury powietrza w pomieszczeniu opiera się na takim samych schemacie jak w przypadku sondy InSight. Na szczęście dla nas, w automatyce kotłowej nie mamy do czynienia z taką zwłoką czasową między wysłaniem a odebraniem sygnału. Jednak w określonym przypadku odpowiednia zwłoka czasowa w sterowaniu może pełnić pozytywną rolę.

Mogłem się o tym sam przekonać, budując kiedyś regulator, którego zadaniem było utrzymanie zadanej temperatury wody w obiegu grzewczym za pomocą mieszacza, przy sterowaniu z pomocą dwóch termostatów. Układ w działaniu okazał się niestabilny (także z innych powodów), ponieważ kiedy jeden termostat otwierał mieszacz, gdy na obiegu była zbyt niska temperatura, to za chwilę drugi termostat mierzył zbyt wysoką temperaturę i układ zamykał się. Następowało przeregulowanie układu objawiające się charakterystycznym wachlowaniem położenia serca mieszacza – z jednego skrajnego położenia w drugie. Kiedy zakupiłem elektroniczny regulator obiegu grzewczego, ten zachowywał się inaczej. Gdy wykrył uchyb od zadanej temperatury, obracał serce zaworu mieszającego tylko przez około 2 sekundy, a potem czekał 10 sekund na ustabilizowanie się temperatury w układzie. Mój nowy regulator był regulatorem ciągłym typu PID.

Od regulatorów PIB do cyfrowych
Przez długi czas od zakończenia II wojny światowej najbardziej popularnymi regulatorami były właśnie regulatory PID. W roku 1922 powstał pierwszy trójczłonowy regulator PID stosowany na statkach i okrętach. Jego twórcą był Nicolas Minorsky, który na zlecenie biura konstrukcyjnego Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych na okręcie USS New Mexico prowadził badania nad matematyczną analizą sterowania statkiem z wykorzystaniem regulatorów PID.

W 1942 r. została opracowana pierwsza, a potem następne metody strojenia regulatorów pneumatycznych PID. Jej autorami byli J.R. Ziegler oraz N.B. Nichols. Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych zdecydowała się zastosować opracowane metody na okrętach podwodnych. Przy okazji efekty prac zostały utajnione, aby zachować przewagę technologiczną nad wrogami. Cywilne zastosowanie regulatory PID (oraz metody ich strojenia) znalazły dopiero kilka lat po II wojnie światowej.
Wróćmy jednak do samych regulatorów i techniki grzewczej. Skrót PID wziął się od członów funkcjonalnych, jakie zastosowano w regulatorze. Są to:

• człon proporcjonalny P (Proportional),
• człon całkujący I (Integral),
• człon różniczkujący D (Derivative).

Człon proporcjonalny P zachowuje się w taki sposób, że gdy temperatura kotła będzie za niska, to będzie on zwiększał moc palnika (np. modulowanego) w kotle. Jednak działanie samego członu proporcjonalnego będzie powodowało w najlepszym wypadku, że wartość rzeczywista będzie bliska wartości zadanej, ale nigdy nie zostanie osiągnięta. Zawsze będziemy mieli do czynienia z uchybem. Zadaniem członu całkującego I jest zwiększanie lub zmniejszanie mocy palnika, tak by osiągnąć wartość zadaną temperatury kotła, bez oglądania się na ewentualne oscylacje (objaw przesterowania, przeregulowania). Z kolei zadaniem członu różniczkującego D jest jak najszybsze stłumienie powstających oscylacji na skutek działania członów P i D.

Obecnie, w związku z rozwojem techniki komputerowej, najpopularniejszymi regulatorami są regulatory cyfrowe oparte na mikrokontrolerach lub wręcz minikomputerach. W teorii automatyki klasyfikowane są jako układy o działaniu quasi-ciągłym, czyli sygnał wejściowy (sygnał zadany + sygnał zwrotny) odczytywane są w pewnych odstępach czasu. Duża częstotliwość próbkowania powoduje, że te przerwy czasowe są niezauważalne dla sterowanego obiektu. Regulatory cyfrowe wprowadziły nową jakość i nowe możliwości w technice regulacyjnej, czemu będzie poświęcony kolejny artykuł.