Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 25

 Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 25

 Koniunktura gospodarcza w świecie ma wpływ na tempo modernizacji przemysłu. Często sterowane komputerowo maszyny CNC i roboty przemysłowe są alternatywa do ludzkiej siły roboczej i gdy ta jest tania automatyzacja jako nieopłacalna nie jest podejmowana.
W Polsce na 10 tysięcy zatrudnionych jest obecnie cztery razy mniej robotów przemysłowych niż w Czechach i Słowacji, osiem razy mniej niż w Niemczech i 17 razy mniej niż  Singapurze, który jest liderem w tym wskaźniku światowej robotyzacji niewiele wyprzedzając Koreę.
Zatem Polska oferuje światu Tanią Siłę Roboczą. Tańszą niż roboty.
Tymczasem ultra nowoczesna produkcja jest wysokomarżowa a nabywcy ustawiają się w kolejce do produkowanego towaru. Mimo rosnących cen trwa deficyt produkcji mikroelektronicznej. Korea ogłosiła że w bieżącej dekadzie zainwestuje w ten sektor 450 mld dolarów !

Serwomechanizmy wykonują  prace fizyczną natomiast Sztuczna Inteligencja AI ma wykonywać pracę umysłową człowieka.

W koncernach cywilno – militarnych część działów jest wspólna a między wszystkimi działami przepływają pracownicy i informacje.
Władze bardzo mocnej technologicznie Korei Płd. przeznaczyły równowartość 1,8 mld USD na rozwój swojej pierwszej rakiety kosmicznej o nazwie Nuri i zamierzają wystrzelić ją w październiku 2021 roku. Właśnie zaprezentowano rakietę kosmiczną całkowicie własnej produkcji po raz pierwszy od czasu, gdy rozpoczęto program jej budowy w 2010 roku. Trwają końcowe testy przed jej uruchomieniem. Komentatorzy zwracają uwagę że programy militarne a w tym  rozwoju rakiet w Korei Płd. był wcześniej ograniczone przez wytyczne Stanów Zjednoczonych ! Po zniesieniu ograniczeń Korea robi znakomitą broń – czołg, myśliwiec... System antyrakietowy L-SAM jest najnowocześniejszy i prawdopodobnie najlepszy na świecie. Mimo nie najlepszych relacji polityczno – historycznych  nie jest tajemnicą że Korei pomagają Japonia i Chiny.
„Polskie” władze bardzo drogo kupując broń zamiast rozwijać własną naukę i przemysł dopuszczają się dywersji i sabotażu. Właśnie podano ze USA będą wycofywać ze służby samoloty F-16 i to w nowszych wersjach niż kupione przez Polskę.
Korea pokazuje jakim wulgarnym fejkiem jest tak zwany "sukces gospodarczy" Polski.
Może tak jak Korei „ najważniejszy sojusznik” zakazał nam rozwoju nauki i technologi ?
Dalej pokazano systemy regulacji kursu rakiety jako przykład rozprzęgania sterowania dla systemu MIMO.  Opublikowane ( rzekomo nielegalnie ) materiały o rakiecie Pershing II pokazują że realnie stosowany algorytm sterowania jest taki jak teoretyczny.

Neoliberalizm ze swoją wybujałą korupcją przyniósł narastający spadek tempa wzrostu gospodarczego i brak ważnych wynalazków. Chciwi miliarderzy niczego pozytywnego światu nie oferują. Spekulacja destabilizuje gospodarki i społeczeństwa.
Odkrycie tranzystora bipolarnego i tranzystora Mosfet w Bell Laboratories było skutkiem tego że długofalowo poszukiwano tam alternatywy dla lamp elektronowych i przekaźników. Ale nawet gdyby nie odkryto ich w BL to inni badawcze też byli blisko celu. Ci badacze nie pracowali dla wielkich pieniędzy bo ich nie zarabiali  ale jak zgodnie wspominają z .. ciekawości,  chęci zrozumienia przyrody i ulepszenia życia.
Albert Eistein (1952): "Nie mam szczególnego talentu. Zżera mnie tylko szalona ciekawość"
   
Tradycyjnie Badaniami i Rozwojem zajmują się koncerny bowiem tylko one mają na tyle silną i stabilną sytuacje że są w stanie prowadzić kosztowne wieloletnie prace. Na rynek trafiają tylko niektóre opracowania bowiem większość  projektów nie daje satysfakcjonującego rezultatu z czego wiele firm ( w tym Polskie ) wyciąga wniosek że skoro jest to kosztowne i ryzykowne to najlepiej w ogóle nie zajmować się D&R co powoduje że wloką się w cywilizacyjnym ogonie produkując przestarzałe wyroby niskomarżowe.
Według Bank of America w 2020 roku Chiny z nakładami 501 mld  USD wyprzedziły USA ( 493 mld USD ) w inwestycjach w D&R. Jeżeli bieżący trend zostanie utrzymany, różnica wzrośnie do ponad 300 miliardów dolarów w 2025 roku. Chiny posiadając potężną bazę produkcyjną i liczne łańcuchy dostaw mogą znacznie lepiej wykorzystać swoje nowe pomysły niż konkurencja.
Czy w przyszłości język używany w Chinach wyprze angielski z roli języka nauki i technologii ?
Wielka Brytania zajmuje drugie miejsce po USA pod względem liczby przyjmowanych studentów zagranicznych. Liczba tych studentów w obu krajach maleje od 2016 roku. 

Różne mechanizmy automatyczne ( czyli sprzężenia zwrotne ) funkcjonują w życiu społecznym i gospodarczym. Automatyczne stabilizatory koniunktury mechanicznie stabilizują koniunkturę pobudzając lub hamując wysoką aktywność gospodarczą bez udziału państwa, które jednak nie może swoją polityką gospodarczą ich eliminować lub blokować. Ich mankamentem ( coś za coś ! ) jest powstawanie znacznego deficytu budżetowego podczas recesji. Czyli aby automaty mogły poprawnie zadziałać podczas kolejnego spowolnienia rząd w czasie dobrej koniunktury ( ma wtedy duże wpływu z podatków ) musi redukować powstałe zadłużenie. Automatycznymi stabilizatorami koniunktury są między innymi:
-składki na ubezpieczenia społeczne,
-świadczenia społeczne,
-zasiłki dla bezrobotnych,
-podatki dochodowe,
-podatki korporacyjne,
-podatki pośrednie m.in VAT,
-deficyt budżetu państwa,
-osłabienie kursy waluty,
-handel zagraniczny. Podczas recesji spada popyt na import i rośnie zapotrzebowanie na produkty krajowe, co stymuluje wzrost produkcji i zatrudnienia 
Przykładowo zasiłki dla bezrobotnym zapobiegają skurczeniu się popytu na rynku i szybkiemu rozwijaniu się zapaści. Aby działały jako stabilizator muszą być jednak wypłacone natychmiast po utracie pracy.  

Algorytmów do sterowania można też użyć w celach podłych. Algorytmy na portalach i sieciach społecznościowych mogą pogłębiać  polaryzacje skonfliktowanych „plemion” w myśl rzymskiej zasady „Dziel i Rząd” i dla sztucznego podwyższenia frekwencji wyborczej jako legitymacji demokracji pozornej. Wbrew pozorom nie są to algorytmy mocno skomplikowane.

Chociaż Wielka Brytania nie jest już członkiem Unii Europejskiej to w jej polityce klimatycznej de facto uczestniczy, co w naturalny sposób zbliża państwa. W Wielkiej Brytanii od 2035 roku będzie obowiązywał zakaz używania gazu do opalania kotłów do ogrzewania pod groźbą grzywny.  Gazety piszą że instalacja Pompy Cieplnej w miejsce gazowego kotła to dla domku jednorodzinnego wydatek około  10 tysięcy funtów, który dla biedniejszych osób będzie trudny do udźwignięcia i co niektórzy będą marznąć w nieogrzewanych gazem domach. Eksploatowane przez GB na morzu złoża gazu ziemnego są już bliskie wyczerpania i polityka eliminacji gazu z ogrzewania ma podwójny sens.
W Wielkiej Brytanii przy remontach i modernizacjach energetycznej sieci przesyłowej i dystrybucyjne słusznie wzmacnia się ją mając na względzie nadchodzącą przyszłość.

Trudności i koszt dostosowanie się państw do polityki klimatycznej Unii są bardzo różne. Im więcej w gospodarce węgla ( ale też przejściowego gazu zimnego ) tym większy koszt transformacji.
Czasu na transformacje energetyczną jest dużo i dużo jest czasu na tworzenie i praktyczne wypróbowanie algorytmów, które skoordynują pracę konsumentów energii tak żeby była ona zużywana głównie wtedy gdy jest produkowana w dużej ilości.

Energia atomowa, gaz ziemny, OZE, hydroenergetyka. Niemcy zastąpią węgiel brunatny i kamienny gazem ziemnym bo mają uraz do energetyki jądrowej lub fobie na jej punkcie. Ci którzy zaspali i latami nic nie robili gdy był czas, będą mieli kłopoty. 
Prezydent Bułgarii, zużywającej sporo węgla, ale jednak znacznie mniej niż Polska, Rumen Radiew  mówi:
" Jeśli polityka klimatyczna Unii Europejskiej się nie zmieni, to bogate kraje będą jeszcze bogatsze, a te biedne - tylko biedniejsze. Jej koszty są ponad siły Bułgarii. Kraj musi porzucić swoją energetykę węglową, gdyż jej koszty przy unijnych regulacjach są zbyt wysokie. Koszty społeczne są zbyt wysokie, a dziura w bilansie energetycznym kraju ogromna. 50% energii Bułgarii pochodzi z węgla, gdzie Bułgaria jest samowystarczalna. Jeśli stracimy energetykę węglową, stracimy też samodzielność."

Rosnący udział niestabilnej generacji OZE z wynikającymi z tego wysokimi okresowo cenami wymusi na odbiorcach przemysłowych, usługowych i na gospodarstwach domowych dostosowanie poboru mocy do chwilowo wysokiej czy zaporowo wysokiej ceny energii.
Obecnie normą dla gospodarstwa domowego jest taryfa o stałym koszcie energii w ciągu całej doby. Dopiero doprowadzenie do domu ( finalnie lodówka, pralka, zmywarka... ) w czasie rzeczywistym informacji o aktualnej ( i prognozowanej ) cenie energii elektrycznej a potem i cieplnej da możliwość sterowania energożernych urządzeń. Trwają dopiero prace studyjne nad podejściem do tematu i żadnej obligatoryjnej normy jeszcze nie ma.
Na giełdach papierów wartościowych „High Frequency Trading”, handel odbywa się momentalnie i nic wielkiego nie stoi na przeszkodzie aby ceny energii gładko zmieniały się co 10 sekund czy minutę. Oczywiście przyszły licznik energii elektrycznej musi rejestrować pobór energii w czasie ( musi mieć m.in. dokładny, synchronizowany zegar ) ale na razie jeszcze nie ma odpowiedniej normy. Oczywiście dane z licznika z „wykresami” poboru energii w czasie trzeba chronić przed niepowołanym dostępem aby na przykład włamywaczom nie dać informacji że w domu / mieszkaniu nikogo nie ma lub że ktoś inwigilowany jest. W tym kontekście wepchniecie Polsce przez Zachód przestarzałych liczników elektronicznych, które trzeba będzie szybko wymienić, dowodzi głupoty i korupcji decydentów.
Podawanie prognozy cen energii też jest proste a informacja ta jest bardzo użyteczna dla „dużych” odbiorców, także domowych.  

Zmienność sumarycznej mocy generowanej przez wiatraki maleje wraz  z obszarem. Maleje również z rosnącym obszarem zmienność sumarycznej mocy generowanej przez panele fotowoltaiczne PV ale obwiednia dziennej generacji oczywiście istnieje. Stąd silna motywacja do budowy linii przesyłowych NN dużej mocy miedzy państwami czyli interkonektorów. Przy dalekich dystansach lepszy jest przesył prądem stałym jednak koszt budowy stacji łączących linie HVDC z istniejącym systemem energetycznym prądu zmiennego jest znaczny. Polska działania mocnego połączenia się z sąsiadami powinna podjąć już ponad 20 lat temu. Trend ceny ziemi ( pod linie NN) jest rosnący i im dłużej będziemy zwlekać tym gorzej

Najlepszym akumulatorem energii w systemie energetycznym były i nadal są hydroelektrownie pompowo – szczytowe. Niestety to budowa terenu wyznacza miejsce na obiekt wodnego magazynu energii. W Polsce praktycznie jest bardzo mało takich miejsc.
Właśnie oficjalnie otwarto NordLink, czyli morski kabel energetyczny prądu stałego DC mocy 1400 MW długości 624 kilometrów między Niemcami i Norwegią. Ma on zapewnić największej w Europie gospodarce zieloną energię w czasie, gdy wycofuje się ona z energetyki węglowej ale także z energetyki jądrowej. Przy nadmiarze produkcji energii w niemieckich OZE energia popłynie do norweskich hydroelektrowni pompowo - szczytowych. Norwegia jest już połączona z Holandią  podmorskim kablem NordNed o mocy 700 MW oraz czterem kablami z Danią połączeniem Skagerrak o łącznej mocy 1700 MW. W tym roku Statnett i brytyjski National Grid mają zakończyć budowę pierwszego bezpośredniego połączenia North Sea Link między tymi dwoma krajami o mocy 1400 MW.
Norwegia jest największym europejskim wydobywcą ropy i gazu ziemnego ale jej elita doszła do wniosku że konfliktowe negowanie decyzji światowej oligarchii co do ograniczenia i zaprzestania wydobycia paliw kopalnych jest bezcelowe i chętnie uczestniczy ona w „zielonych” projektach.
Per analogia Polska wydobywając najwięcej węgla kamiennego w Europie kwestionowała decyzje światowej oligarchii i znalazła się w trudnej sytuacji.

Optymalne ekonomicznie straty w przesyle prądem zmiennym wynoszą około 6.5% na dystansie 1000 Km zaś prądem stałym 3.5%. Jest to spowodowane tym że przy przesyle prądem zmiennym występują moce bierne wynikające z fizycznej charakterystyki linii czyli jej jednostkowej pojemności i indukcyjności oraz niepożądanego przesyłania mocy biernej linią. Przesył kablem prądu zmiennego NN jest niemożliwy ponad dystans kilkunastu kilometrów z uwagi na dużą pojemność kabla i potężną generacje mocy biernej kompensowanej co odcinek dławikami. Ukończone w 2019 roku połączenie HVDC w Chinach długości 3300 Km o mocy 12 GW ma rekordowe napięcie 1 100 KV.
 Prostowniki - falowniki do systemów HVDC tradycyjnie po 1972 roku wykonywano na komutowanych siecią prądu zmiennego AC, sterowanych fazowo wysokonapięciowych tyrystorach łączonych szeregowo po kilkadziesiąt sztuk w gałęzi. Mankamentem jest konieczność filtracji harmonicznych na styku z sieciami AC a elementy filtrów LC są duże. Potrzebny jest też specjalny transformator mocy z uzwojeniami o przesunięciu fazy 30 deg dla mostków trójfazowych tolerujący harmoniczne zniekształconych prądów. Sieci AC muszą mieć relatywnie duże moce zwarciowe.
Ale możliwe jest też zastosowanie w inverterach największych wysokonapięciowych tranzystorów IGBT oraz tyrystorów wyłączanych bramką IGCT ( jest to modyfikacja tyrystorów GTO ) jako że ich napięcia przekraczają już 4500 V. Wysokonapięciowe tranzystory IGBT i tyrystory IGCT są powolne i z uwagi na straty dynamiczne przy przełączaniu kluczy częstotliwość modulacji PWM wynosi do 1-2 KHz. Konstrukcja systemu falownika VSC z zastosowaniem IBGT lub IGCT jest odmienna niż tyrystorowego i system składa z wielu połączonych modułów średniej mocy co pozwala zastosować przy modulacji PWM idee kasowania się harmonicznych a właściwie produktów intermodulacji PWM. System może być tak skonstruowany że po uszkodzeniu jednego modułu dalej pracuje. Stacje przekształtnikowe do systemów HVDC nie są ofertą katalogową koncernów ale negocjowaną indywidualnie. Niemniej znane są ceny wykonanych w świecie stacji przekształtnikowych do systemów HVDC. Jednostka mocy w stacji z tyrystorami jest jednak znacznie tańsza niż w stacji z użyciem tranzystorów IGBT i tyrystorów IGCT a uzyskany poziom mocy znacznie mniejszy.

Idea Europejskiej Super Sieci energetycznej HVDC ( Europa, północna Afryka, Turcja, Kazachstan..) jak dotychczas nie jest realizowana z powodów politycznych ( niestabilność polityczna Afryki ...) choć od ponad dekady wiadomo że może ona dać duże korzyści szczególnie przy dużym udziale zielonej generacji. Jednak sieci przesyłowe w Europie są rozbudowywane. 

Użycie ogniw litowo – jonowych wszędzie stwarza ryzyko powstania  trudnego do ugaszenia pożaru. W przypadku dużej ilości ogniw w energetycznym magazynie energii ryzyko jest duże. Przypadki zapłonu samochodów elektrycznych EV nie są rzadkie. W autobusach elektrycznych akumulator ma wielokrotnie większą pojemność niż w samochodach osobowych EV. Chiny mają największa w świecie flotę autobusów elektrycznych. W Baise w chińskiej prowincji Guangxi 15.05.2021 roku gwałtownie zaczął płonąć potężnym płomieniem elektryczny autobus miejski na parkingu zajezdni. Ogień w ciągu dosłownie 5-10 sekund przenosił się na sąsiednie autobusy. 4 z 5 autobusów na parkingu doszczętnie spłonęło.
Zatem systemy nadzoru i zabezpieczenia akumulatorów litowo – jonowych  są niedostateczne i należy je udoskonalić ale aby podjąć zadanie trzeba wiedzieć co się właściwie stało ? Odpowiedź nie jest łatwa bo po spalonych samochodach zostaje kupka żarzącego się złomu i nie ma czego badać. 
Kraje cywilizowane mają wyspecjalizowane komisje śledcze prowadzące dochodzenia po katastrofach lotniczych. Chodzi o znalezienie wad konstrukcyjnych samolotów i ich pilne poprawienie oraz o ulepszenie szkolenia pilotów i ich pracy w kokpicie oraz ulepszenie systemów naziemnych. Użyteczne są rejestratory parametrów samolotu w czasie lotu i rejestratory dźwięków w kokpicie, które powinny przeżyć każdą katastrofę.
Ponieważ w samochodach stosowane są wydajne mikrokontrolery a pamięci są tanie wykonanie funkcjonalności rejestracji podstawowych parametrów jest tanie. W sytuacji awaryjnej można szybkim systemem G5 wysłać zapis parametrów za ostatni dzień poczynając od najmłodszych danych  na wypadek gdyby zabezpieczona przed ogniem pamięć mogła jednak nie przeżyć pożaru.    

Pierwsze próby komercyjnego zastosowania sieciowych systemów automatyki do "zarządzania" budynkami podjęto w połowie lat siedemdziesiątych. Do przesyłania sygnałów siecią energetyczną użyto systemu  o nazwie X10. Początkowo system mógł  włączać i wyłączać urządzenia takie jak  wentylatory lub lampy oraz inne.
Standard komunikacyjny CEBus opracowany w latach 1984-1994 przez członków  EIA ( Electronics Industries Association ) rozróżniał już media komunikacji od protokołu. Komunikacja była możliwa siecią zasilająca, skrętką, na podczerwieni i sygnałem radiowym. Standard ten nie zdobył popularności.
Wzrost zainteresowania automatyką budynkową nastąpił dopiero wraz ze stanieniem mikrokontrolerów i wszechstronnym wzrostem ich wydajności oraz upowszechnieniem internetu,  komputerów i smartfonów.
Budynek inteligentny jest wyposażony w system czujników  oraz system sterowania prawie wszystkimi znajdującymi się w budynku urządzeniami i instalacjami.
Automatyka budynku ma za zadanie:
A. Poczynienie oszczędności energii głównie do ogrzewania i klimatyzacji czyli do HVAC
B. Polepszenie stopnia bezpieczeństwa osób i mienia w budynku
C. Zwiększyć wygodę i komfort użytkowania mieszkań i budynku
Na razie rynek automatyki budynkowej jest mały a użytkownicy są z reguły zawiedzieni lub nawet zażenowani efektami działania takich systemów. Nierzadko system pobiera z sieci niemało mocy co manifestuje się w rachunku za prąd i zamiast oszczędności energii są … straty i rachunek do zapłacenia.

O tym że wiele urządzeń bloku mieszkalnego  winno tworzyć spójny system było jasne dla nastolatka. Autor w 8 klasie szkoły podstawowej po wykonaniu domofonu, z kolegą doszli do wniosku że po wywołaniu przez „dzwoniącego” gościa lokatora i zdalnym otworzeniu przez niego elektrycznego zamka drzwi, automatycznie powinno się zapalić na klatce schodowej światło jeśli jest po zmroku i to na czas proporcjonalny do numeru piętra aby czasu starczyło na spokojne wejście na piętro i aby lokator mógł w razie wątpliwości „judaszem” obejrzeć kto do niego przyszedł po zmroku. Samo naciśniecie przed blokiem wywołania na aparacie powinno zapalić po zmroku lampę oświetlająca gościa aby wyglądając w razie podejrzeń  przez okno zobaczyć kto to. Przycisk domofonu lokatora po zmroku zawsze zapala światło toteż komfortowo można wyjść z mieszkania na oświetloną klatkę schodowa i oświetlić osobę dzwoniącą do drzwi dla obejrzenia jej judaszem. Realizacja tej funkcjonalności z fotoopornikiem była niezwykle prosta. Przycisk Alarmowy – Napadowy. „Alarm” przy niezamknięciu drzwi wejściowych, szczególnie po zmroku. I tak dalej...  „Odkrycia” nastolatków znających tylko z opowieści rozwiązania stosowane w bogatym świecie wydaja się trywialne ale... i tak nie zostały zastosowane.
W blokach mieszkalnych oddawanych do użytku w pierwszej połowie lat siedemdziesiątych były „położone” przewody telefoniczne do wszystkich mieszkań czyli decydenci oczekiwali powszechnej telefonizacji. Koszt kabli i tego „położenia” na etapie budowy bloku był znikomy i stąd pomysł aby jednocześnie położyć kabel do domofonu był znakomity. Wystarczyło wydać normę i rozporządzenie...
Wszechwładna PZPR wobec przyrostu demograficznego lat siedemdziesiątych stawiała na maksymalną ilość nowych mieszkań a nie na ich jakość – to był świadomy wybór. Chodziło o maksymalizacje zadowolenia społeczeństwa. Milicja dość skutecznie walczyła z przestępczością jeśli chodziło o kradzieże z włamaniem i napady na mieszkania. Z kładzenia instalacji telefonicznej w budowanych blokach zrezygnowano jako że PRL ratował się przed bankructwem eksportując miedź używaną w przewodach. Biorąc to pod uwagę nieinstalowanie domofonów w blokach PRL było być może i racjonalne. Erupcja bezrobocia, bezdomności ( spanie po klatkach schodowych i ich zanieczyszczanie ) i kradzieży oraz napadów  na początku lat dziewięćdziesiątych spowodowała gwałtowną popularyzacje domofonu.

N.B. Eksportowanie miedzi przez Polskę jest dowodem strasznego prymitywizmu gospodarki. Stosunkowo prostych w produkcji, standardowych wyrobów z użyciem miedzi na rynku światowym jest cała masa !  W kręgach decyzyjnych przeciwko eksportowi surowej miedzi oponowano już w latach siedemdziesiątych.
   
 Uznane rozwiązanie koncernu stosowane w jego wyrobach po docenieniu jego zalet i użyteczności często staje się później normą.  Normom i normalizacji zarzuca się opóźnienie postępu ale liczne zalety normalizacji dominują nad wadami. Nade wszystko istnieje możliwość produkcji masowej i współpracy urządzeń czy narzędzi ze sobą.  Normy przymuszają też projektantów i producentów do spełniania wymagań minimalnych. 

 Nawet jeszcze obecnie regulacja temperatury w niektórych lodówkach – zamrażarkach odbywa się anachronicznym bimetalem. Regulacja taka ma znaczną histerezę co jednak nie jest szkodliwe jako że samo wnętrze lodówki ma już niemała stałą czasową a dodatkowo stałą czasową mają masywniejsze wyroby w lodówce - zamrażarce. Czyli niewielkie wahania temperatury są nieszkodliwe. Rozwiązania dla lodówki - zamrażarki z silnikiem kompresora sterowanym falownikiem działającej w świecie zmieniających się cen energii elektrycznej wydaje się banalne czy nawet trywialne.  Wartość zadana temperatury jest korygowana w górę offsetem Aktualna_cena/Priorytet ale w dół adekwatnie do średniej wartości ceny aby temperatura lodówki był średnio taka jak nastawiona. Można też skorygować wzmocnienie regulatora P temperatury w lodówce zmniejszając wzmocnienie czyli sztywność regulacji przy rosnącym ilorazie ceny do priorytetu.  System taki ma ciekawe właściwości dynamiczne. Gdy cena energii rośnie szybciej niż temperatura w lodówce agregat nie jest aktywny.
W kraju egalitarnym identyczne rodziny miałyby nastawiony taki sam Priorytet lodówek. W kraju o znacznym zróżnicowaniu majątkowym bogacze nastawią sobie wysoki priorytet bo cena energii jest im obojętna a biedni niski bo muszą liczyć każdy grosz.
Lodówka musi być jednak konstrukcyjnie oszczędna.
Sprzedawana lodówka winna mieć ustawienia odpowiednie dla przeciętnego nabywcy.
Gdy w lodówce mamy dużo drogiej żywności można podnieść Priorytet. Ponieważ zdarzają się przerwy w dostawie energii elektrycznej można zauważyć że rozmrożenie zawartości zamrażarki trwa długo. Lodówka przy groźbie rozmrożenia może wszcząć alarm dźwiękowy czy też powiadamiać funkcjonalnością IoT. Powinna mieć w pamięci historię temperatury dla ciekawskich.
Przejście na zmienne ceny energii powinno jak najmniej wpłynąć na przeciętnego obywatela. 
Symulacje wskazuje że zachowanie takiej lodówki w systemie energetycznym jest niezłe i działa. ona ogólnie stabilizująco.

Sprawa z pralką zależy od tego czy woda w niej podgrzewana jest elektrycznie czy też pobiera ona Ciepłą Wodę z instalacji CW.
Obracanie bębnem pralki w czasie prania wymaga mocy mechanicznej zaledwie do 30 W natomiast wirowania do 300W. Z tego punktu widzenia okres aktywacji i działania pralki nie jest krytyczny jako że wirowanie nie trwa długo i zużycie nawet drogiej energii nie jest duże. Natomiast pożeraczem energii jest w pralce grzałka do wody.
Zatem Pralka z  Grzałka musi otrzymać prostą prognozę ceny energii. Obarczanie mikrokontrolera pralki zadaniem gromadzenia danych historycznych i przewidywania ceny energii nie jest rozsądne.
Generacja wiatrakami zależy od pogody a panelami PV od pogody i  pory dnia w roku. Do sporządzania prognoz używa się zdjęć satelitarnych oraz danych z sieci stacji pomiarowych i ich trafność jednak powoli rośnie. Ale cena zależy też od tego czy jest to dzień roboczy czy też wolny gdy większość przemysłu i usług nie pracuje.
Im większa będzie stabilna generacja w elektrowniach jądrowych i na gaz tym mniejsza będzie zmienność cen energii.

W stosunku do ceny energii elektrycznej najpożyteczniejsze jest oświetlenie. Przyszły inteligentny włącznik lampy LED załączał by od razu moc wynikającą z aktualnej ceny energii i ustawionego priorytetu i szybko podnosił ją w razie dłuższego przyciśnięcia. Pożyteczny byłby w centrum mieszkania przezroczysty ( translucent ) wyświetlacz LCD nie pobierający mocy na podświetlanie pokazujący m.in. cenę energii i jej prognozę.

Z Pustego i Salomon nie naleje – Konieczne jest budowanie nowych, ciepłych energooszczędnych domów. 
Przy ograniczonych mocach źródeł energii elektrycznej i cieplnej algorytm optymalnej alokacji energii jest złożony. Zmienna cena może być dobrym czynnikiem regulującym.
Przykładowo przy nieprzewidywalnym załamaniu pogody przy ogrzewaniu miasta z długiej sieci ciepłowniczej zwykłe regulatory starając się  utrzymać temperaturę spowodują nadmierny pobór mocy i budynki przy końcu sieci ciepłowniczej będą mocno niedogrzane. Elektrociepłownie posługują się prognozami pogody ale każde przewidywanie przyszłości jest ryzykowne.  
Cieplna stała czasowa budynków jest duża. Stosując koordynacje w takiej sytuacji pierwsze po drodze rurociągu regulatory węzłów cieplnych muszą się trochę wstrzymać z energiczną akcją grzania. Elektrociepłownia już dostarcza dużą moc cieplna do rurociągu ale ona dopiero dotrze do tych pierwszych odbiorców i podział dla wszystkich musi być „sprawiedliwy” . 
Wymagana do ogrzewania lokali ilość ciepła zależy od temperatury otoczenia, wiatru, wilgotności i nasłonecznienia. Innowacyjny wówczas sensor temperatury efektywno - radiacyjnej brał wszystkie te czynniki pod uwagę i miał symulacyjny sensor PT100 dla zwykłego regulatora a oprócz tego pozwalał dokonać koordynacji działań regulatorów węzłów cieplnych  w rozległej sieci ciepłowniczej.  
http://matusiakj.blogspot.com/2016/10/archiwum-sensory-26.html
Eksperymentalny specjalny regulator ( analogowy a później z mikrokontrolerem ) pracował ze znacznie prostszym specjalnym sensorem aktywnym ( prostym i tanim w budowie ) niż omówiony powyżej który miał nieprosty układ elektroniczny.
Oczywiście systemowo algorytm do regulacji – koordynacji systemu jest skomplikowany na tle prostego algorytmu regulacji temperatury ale jak dokładniej się przyjrzeć to „deficyt” jest rzeczą normalną i sensowne działanie ( na rynku działają ceny ! ) bardzo mocno łagodzi jego skutki tak że większość osób w ogóle tego nie zauważa. Nade wszystko każdy towar, także energia,  musi mieć odpowiednią cenę.  
 
Sygnał pneumatyczny dość szybko został w regulatorach przemysłowych zastąpiony sygnałem elektrycznym. Już analogowe przetwarzanie sygnału elektrycznego dało o wiele większe możliwości niż przetwarzanie pneumatyczne. Kolejnym krokiem było przetwarzanie cyfrowe.

Regulatory PI-PID pracują całkiem dobrze dla procesów z łagodną dynamiką i umiarkowanymi wymaganiami czyli dla procesów niskiego i średniego rzędu z relatywnie niedużymi opóźnieniami. W zależności od działu przemysłu stanowią 95-99 % wszystkich użytych regulatorów. Regulatory PID nie nadają się jednak do niektórych rodzajów układów regulacji i wówczas ratunkiem są odpowiednie algorytmy regulatorów.
Niestety spora część regulatorów PID w wielu zastosowaniach jest niewłaściwie nastrojona lub ma fabryczne nastawy domyślne. Z tego powodu pętle regulacji są z Auto przestawiane na Manual i niezastąpiony jest operator.

Powodami złego działania układu regulacji automatycznej są:
-Zlekceważenie silnej nieliniowości obiektu. Czasem nieliniowość można zlikwidować stosując regulacje kaskadowa
-Nieskompensowanie zakłóceń które można łatwo skompensować
-Obiekt nie nadaje się do regulacji PI - PID i trzeba zastosować specjalny regulator programowy
-Konieczność rozprzężenia obwodów regulacji dla obiektu wielowymiarowego MIMO – Multi Input Multi Output 
-Niewłaściwy aktuator lub organ wykonawczy. Może być na przykład konieczny zawór „stałoprocentowy” a  nie liniowy
-Niewłaściwa konfiguracja regulatora. Znaczną poprawę może przynieść zastosowanie regulatora  PI - DOF lub PID – 2DOF.
-Niewłaściwy dla obiektu regulacji algorytm przeciw nasyceniu regulatora
-Duże szumy z sensora na przykład wskutek umieszczenia go w nieoptymalnym miejscu
-Złe nastawienie parametrów regulatora

Regulator może sygnałem analogowym ( regulator może być cyfrowy – programowy, mowa tylko o sygnale, może to być sygnał analogowy przekazany cyfrowo, słowo „analogowy” jest wieloznaczne ale tutaj mowa tylko o sygnale a nie metodzie jego wytworzenia ) sterować aktuator i jego wyjście podane procesowi odpowiada sygnałowi.
Regulator krokowy załączą silnik przestawiający organ wykonawczy w nakazanym kierunku. Aktuator dokonuje więc całkowania co uwzględnia algorytm regulatora. Regulator krokowy PI – PID może wypracować wewnętrzny sygnał analogowy podany do dalszego wewnętrznego regulatora który przestawia silnik tak że osiągnięta jest nakazana pozycja analogowa aktuatora meldowana potencjometrem lub innym sensorem lub regulator od razu jest krokowy bez sprzężenia zwrotnego od aktuatora i pracuje w konfiguracji z pseudo odtwarzaniem stanu aktuatora.

Wyjściowy sygnał analogowy z regulatora może mieć umownie zakres asymetryczny  0..1 ( może być ustawieniami zawężony z obu stron ) lub symetryczny -1...+1 lub quasi symetryczny przy różnych wartościach maksymalnych
Zakres asymetryczny:
-Szybkość pracy napędów roboczych. Ale mała część napędów roboczych pracuje dwukierunkowo. Dwukierunkowo pracuje nawet napęd bębna pralki automatycznej. Prędkość wirowania jest podnoszona płynnie. Silnik EV przyspiesza samochód ale tez hamuje ( ale nie mocno ) ze zwrotem energii do akumulatora  
-Jasność świecenia lamp, emisja promieniowania rentgenowskiego X lampą rentgenowską
-Natężenie strumienia neutronów w reaktorze energetycznym regulowane prętami regulacyjnymi.
-Grzejnik elektryczny lub kaloryfer na gorącą wodę lub olej lub parę wodną może tylko grzać.
-Zawór podający gaz / olej lub regulowany przenośnik węgiel do pieca do pieca lub przeróżne reagenty do reaktora. Zawór nie może być bardziej zamknięty niż na Zero i całkowicie otwarty na „1”. Nie ma sposobu aby produkty spalania z pieca lub substancje z reaktora zamienić na postaci pierwotne i podać w odwrotnym kierunku. Upływ czasu i zdarzeń  jest jednokierunkowy. Jednym z rodzajów reakcji jest delikatna neutralizacja dla określonego PH. Odpowiedź systemu regulacji nie powinna mieć przeregulowania bowiem nie ma sposobu odwrócenia sytuacji
-Serwozawór podający parę do turbiny 
 
Zakres symetryczny:
-Sygnał z regulatora prądu lub prądów trzech faz podany jest do modulatora PWM sterującego energoelektroniczny tranzystorowy mostek jedno lub trójfazowy w dowolnym zastosowaniu
-Momenty i obroty silników serwomechanizmowych ( i tylko niektórych roboczych ) są zawsze w obu kierunkach   

Jest też system różnie - symetryczny.
-Złożony system regulacji temperatury  różnie-symetryczny może grzać lub chłodzić. Chłodzić może ogniwo Peltiera lub obieg chłodniczy lub nadmuch zimnego powietrza z otoczenia lub przepływ zimnej wody. W tym wypadku po przejściu sygnału wyjściowego regulatora przez zero czyli po zakończeniu grzania lub chłodzenia trzeba chwilę odczekać aby pochopnie nie podejmować przeciwnej akcji i dopiero podjąć wymagane chłodzenie lub grzanie. Również tutaj przeregulowanie w odpowiedzi jest niekorzystne bowiem prowadzi do marnotrawstwa energii.

-W serwomechanizmowych, sześciopulsowych napędach tyrystorowych z silnikiem prądu stałego ( miały całkiem dobre właściwości i czasem potężne moce ) prąd dodatni dla silnika pochodził z jednego trójfazowego mostka 6 tyrystorowego a prąd ujemny z drugiego takiego mostka. Przed aktywacją „drugiego” mostka system musiał mieć pewność że poprzedni mostek przestał przewodzić bowiem jednoczesna aktywacji obu mostków oznaczała zwarcie międzyliniowe przez tyrystory !

-Trójfazowy inwerter IGBT sterujący silnikiem napędu podnoszącego dźwigu pobiera prostownikiem diodowym moc z sieci trójfazowej do obwodu prądu stałego nieregulowanego napięcia Udc lub oddaje moc po stronie prądu stałego DC  do opornika hamowania. Napięcie na kondensatorze DC jest tylko w czasie hamowania regulowane wypełnieniem sygnału PWM sterującego tranzystor IGBT kluczujący  rezystor mocy.
  -Autonomiczny samochód spalinowy  jest przyspieszany silnikiem spalinowym  poprzez skrzynie biegów i delikatnie hamowany ( = ujemne przyśpieszenie ) silnikiem a mocniej hamulcem hydraulicznym. W EV przyspieszanie i  niezbyt mocne hamowanie odzyskowe wykonuje napęd elektryczny i przepływ energii z / do akumulatora jest w obie strony ale mocne hamowanie wykonuje hamulec hydrauliczny.
Słowo „różnie” oznacza zatem dwóch wykonawców rozkazu regulatora.
 
Termin „automatyczna regulacja” używany jest zamiennie ze sterowaniem automatycznym ale w przypadku regulacji akcent położony jest na eliminacji zakłóceń procesu a w przypadku sterowania na śledzenie za sygnałem zadanym.
Złożone instalacje chemiczne często pracują w stanach quasi ustalonych w optymalnych punktach pracy. Adekwatne jest słowo regulacja.
Wszelkie serwomechanizmy otrzymują zmienne rozkazy z komputerka. Adekwatne jest słowo sterowanie.   

Praktyczne efekty regulacji z użyciem analogowych i programowych regulatorów elektronicznych PI – PID różnych producentów były mocno różne z racji zastosowania wielu ulepszeń podstawowego algorytmu:
  
A. Różniczkowaniu D - o wzmocnieniu Kd, poddawano tylko sygnał wyjściowy y obiektu a nie sygnał błędu co przy zmianie sygnału zadanego r ( od referencie )  dawało bardzo pożądaną, spokojniejszą odpowiedź bez przeregulowania ( oscylacyjnego i nieoscylacyjnego ! ) typowego dla powodowanego przez zera licznika transmitancji . Tłumienie zakłóceń pozostawało bez zmian.
Jest to szczególny przypadek natury ogólniejszej gdy sygnał błędu dla różniczkowania stworzymy podając wielkość sygnału zadanego z wagą v   <0..1>  z wartością wagi Zero.
Idea wzięła się z teoretycznego rozważania regulacji obiektu II rzędu a praktyka potwierdza jej wartość prawie że zawsze.
Wzmocnienie różniczkowania rośnie liniowo z częstotliwością do nieskończoności  i dla eliminacji zakłóceń różniczkowanie jest razem z filtrem dolnoprzepustowym tak że maksymalne wzmocnienie realnego różniczkowania wynosi M razy.
W ogólności zastosowanie niewłaściwego strukturalnie układu sterowania – regulacji nigdy nie prowadzi do dobrych rezultatów czyli „”nie wyciśnie się krwi z cebuli” i „z pustego i Salomon nie naleje”

B. Sygnał błędu dla części proporcjonalnej P – Kp regulatora miał dodatkowy parametr – wagę w,   <0..1> sygnału zadanego r. Przy parametrze ustawionym na „1” tor P działa tak jak w zwykłym regulatorze a gdy miał parametr Zero sygnał zadany r oddziaływał tylko przez Integrator. Czasem ustawiania parametru nie było i było on zerowy i części  proporcjonalna i różniczkująca nie działały na sygnale zadanym !  Tłumienie zakłóceń pozostawało bez zmian. Idea ta wzięła się z teoretycznych rozważań nad optymalną regulacją obiektów całkujących. Ustawienie w na Zero daje gładką odpowiedź na zmianę sygnału zadanego i wielokrotnie likwiduje przeregulowania ale odpowiedź może być za wolna co może być istotne dla koordynacji działań różnych pętli regulacji. Kompromisowa wartość 0.3-0.4  jest prawie zawsze dobra.
Zero i biegun można skrócić filtrując sygnał zadany obwodem z zerem i biegunem kasującymi biegun i zero w transmitancji lub co odkryto ( a raczej podano do publicznej wiadomości ) później stosując wagę w torze P regulatora do sygnału zadanego. Oprócz prostoty realizacji zaletą jest niepojawienie się problemu z niedokładnością kasowania zer przez bieguny i odwrotnie.
Zatem rozwiązanie ma również silną podbudowę teoretyczną.
W realizacji programowej regulator z sygnałami błędów dla różniczkowania i osobnym dla całkowania z dwoma wagami dla sygnału zadanego nazwano 2-DOF, Degree Of Freedom z powodu 2 swobód ustalenia tych dwóch parametrów. Jeśli parametry są do ustawienia przy strojeniu pętli regulacji należy rozpocząć z parametrami 0 i 0.4.
Czasem jednak przy bardzo małych wzmocnieniach niektórych obiektów w pętli użyteczny jest współczynnik w>1 czyli feedforward.

Transmitancja zamkniętej pętli regulacji z obiektem całkującym z mała stałą czasową i regulatorem PI ma mianownik aż 3 stopnia i licznik pierwszego stopnia czyli zero. Jeśli parametry regulatora PI dobierzemy tak aby dobroć sprzężonej pary biegunów mianownika wynosiła 0.707 to przeregulowanie przekracza 30 %.
Gdy skrócimy specjalnym filtrem wejściowym dla sygnału zadanego parę niechcianego zera i rzeczywistego bieguna lub prościej zastosujemy regulator PI – DOF z w=0.385  to otrzymamy zwykłą transmitancje II rzędu i typową odpowiedź z przeregulowaniem 4.1%.

C. Bardzo ważne okazało się zapanowanie ( anti windup ) nad całkowaniem przy nasyceniu regulatora typowym przykładowo w czasie rozruchu obiektu i dużej zmiany punktu pracy. Generalnie zakres całkowania musi być zawsze  ograniczony do maksymalnych poziomów wyjścia regulatora adekwatnie do symetrii lub asymetrii aktuatora i obiektu. Optymalne algorytmy są różne dla rodzajów obiektów ! Zapanowanie ma z jednej strony zapobiec dużemu przeregulowaniu a z drugiej strony ustawić kompromisowo poziom integratora na jak najszybsze dokładne, finalne ustalenie wyjścia obiektu. W przypadku regulacji kaskadowej „zapanowanie” dotyczy stanu obu regulatorów. Algorytm wynika zatem ze skojarzenia wymogów  regulacji czasoptymalnej gdy wyjście jest nasycone czyli sygnał sterujący ma wartości maksymalne z regulacją liniowo optymalną.
Gdy nie publikowano schematów regulatorów analogowych sprytny algorytm był słodką tajemnicą producenta i tak już pozostało w epoce cyfrowej.
Anti windup jest szczególnie ważny przy byle jakim ustawieniu parametrów regulatora PI – PID co niestety jest normą a nie wyjątkiem.
Z praktycznego – użytkowego punktu widzenia najlepsze są rozwiązania nie wymagające podania kolejnego parametru/ów do ustalenia czyli zatrzymanie całkowania przy próbie wejścia w nasycenie z ewentualnym „wyzerowaniem” ( ustawieniem na wybrany parametrem poziom, niekoniecznie zerowy )  całkowania gdy błąd jest tak duży że nie zmieni to stanu wyjścia regulatora lub eksponencjalne zanikanie stanu integratora ze stałą czasową jak w regulatorze. To drugie rozwiązanie ma dla układów II rzędu podbudowę teoretyczną opracowaną przez autora.  
MATLAB & Simulink ( prawdopodobnie także inne środowiska ) oferują średnio udane przykłady symulacji systemów  z  anti windup.
Im większe jest wzmocnienie pętli regulacji tym większe jest prawdopodobieństwo  nasycenia wyjścia regulatora i tym ważniejszy jest algorytm anti windup.
Zwróćmy uwagę że tam gdzie obiekt ma być cały czas dokładnie kontrolowany „dłuższe” nasycenie wyjść regulatora jest niedopuszczalne. W czasie nasycenia regulatorów serwomechanizmów trajektoria narzędzia w maszynie CNC czy ramienia robota może się znacznie odchylić od wyobrażeń i w maszynie narzędzie może o coś uderzyć z fatalnym skutkiem.
Głównym czynnikiem zakłócającym w tych przypadkach są zmiany napięcia sieciowego. Moc maksymalna napędu rośnie przecież z kwadratem napięcia lub szybciej.

Charakterystyki obciążenia czyli zakłócenia dla serwomechanizmów:
-Tarcie statyczne ( odpowiednik w dziedzinie elektrycznej to źródło prądowe ) które może być większe niż dynamiczne
-Bezwładność przenoszonego ładunku modyfikująca dynamikę pętli regulacji
-Ciężar grawitacyjny ramienia robota z przedmiotem, pasażerów windy, ładunku dźwigu
-Opór narzędzia przy skrawaniu czyli toczeniu, frezowaniu.. lub szlifowaniu

D. Użyteczne było bezuderzeniowe przejście z określoną prędkością wyjścia z regulacji automatycznej na manualne ustawianie aktuatora i odwrotnie.

E. Użyteczne było ograniczenie nastawienie czasu różniczkowania Td do 1/4 Ti.

F. Podobny do efekt do podania części sygnału zadanego do toru różniczkującego ( najczęściej zera )  i proporcjonalnego daje wygładzenie sygnału zadanego czyli Ramping. Funkcja rampingu wymaga niestety podania kolejnego parametru lub parametrów co jest jej poważną wadą. Jest gorszym rozwiązaniem niż regulator PI DOF lub PID 2-DOF z akcją P działającą na części sygnału zadanego. Przy próbie kasowania zer przez bieguny niedokładności stałych czasowych skutkują powolnym ustalaniem odpowiedzi przy już małym będzie. Zjawisko to w temacie kompensacji częstotliwościowej wzmacniaczy operacyjnych odkryto i przeanalizowano  już na przełomie lat 60 / 70.

G. Ograniczenie wyjścia regulatora od góry i od dołu na ustawianych poziomach  jest przydatne w sytuacjach awaryjnych. Zmiana zawężająca musi oddziaływać na integrator aby uniknąć jego nasycenia   

H. Funkcjonalność samonastrajania regulatorów lub programy na komputer do strojenia regulatorów obiektu są bardzo cenne ale nadal bardzo niedoskonałe i to w dobie popularyzacji AI.

Po wpisaniu w wyszukiwarkę Google ( regulator PID 2-DOF ) otrzymujemy 5 linków do tekstów polskojęzycznych podczas gdy po wyborze odpowiedników słowa „regulator” dla innych języków cywilizacji linków jest zatrzęsienie. Razem z informacją o bardzo małej ilość robotów w Polsce zmusza to do myślenia i wyciągnięcia smutnych wniosków. 

Cytaty wzięte z starego „Fault Tolerant” są nadal aktualne.
„Poniżej podano zakres spotykanych wzmocnień regulatora PI-PID dla fizycznych wielkości regulowanych:
T-Temperture    1-100
P-Pressure
    Gaz    2-100
    Płyn    0.5-2
L-Level    2-100
F-Flow        0.5-2
Skąd jest tak wielka różnica wzmocnień dla regulacji ciśnienia płynu i gazu ? Gaz jest ściśliwy a płyn jest nieściśliwy. Wzmocnienie regulatora temperatury jest tym większe im mniejszy jest czas martwy w stosunku do stałej czasowej nagrzewania.
W każdym systemie obowiązują prawa fizyki i chemii a w szczególności bilanse mas i energii. Mamy procesy spalania ( energia chemiczna przekształca się w cieplną ), procesy egzotermiczne, endotermiczne, podstawiania i neutralizacji. ”
Znajomość granic wzmocnień regulatorów uprasza nam bardzo trudne wybranie początkowych nastawień regulatorów. Pamiętać należy jednak że wzmocnienie odniesione jest do rzeczywistych zakresów sygnałów w obiekcie a nie zakresu pomiaru sensorów, które przecież muszą być większe. Aktywna może być też tylko część zakresu analogowego sygnału wyjściowego choć nie powinno tak być.
Dla regulacji ciśnienia i przepływu cieczy wybieramy wzmocnienie 1.
Oczywiście obszerną wiedzę o optymalnych parametrach regulatorów PI - PID oraz innych regulatorów (!) dla różnych obiektów mają koncerny co daje im kolejną przewagę nad mniejszymi firmami.
 
Dla porządku narracji w tabeli podano „optymalne” tradycyjne parametry regulatorów I, P, PI, PD,PID oraz ewentualnie inercyjnego wejściowego członu wygładzającego sygnał zadany dla obiektów: inercyjny, dwuinercyjny, trójinercyjny, całkująco - inercyjny i całkująco – dwuinercyjny w konfiguracjach z różnymi regulatorami dla Kesslerowskiego optimum modułu i symetrii.  W drugiej części tabeli podano parametry sygnały wyjściowego pętli w odpowiedzi na skok sygnału wejściowego i skok sygnału zakłócenia.
Dla obiektów całkujących i zamkniętej pętli z zerem przeregulowanie jest zmniejszane prymitywnie inercją a nie filtrem z kasującą para biegun zero czy lepiej regulatorem PID-2DOF lub PI-DOF.

 Pierwszym łatwym aplikacyjnie wzmacniaczem operacyjnym był układ LM101A i jego pochodne.

 Stosowano w nim zwykle kompensacje Millera w stopniu napięciowym zewnętrznym kondensatorem, który w układzie LM107 jest zintegrowany. Standardowo skompensowana charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza operacyjnego opadająca 20 db na dekadę z fazą -90 deg jest wygodna. Typowo wzmocnienie stałoprądowe 105 dB zaczyna spadać ( dla kompensacji dla jednostkowego wzmocnienia w pętli ) przy częstotliwości już 7 Hz. Możliwe jest zastosowanie zamiast kondensatora trójnika T z dwóch kondensatorów i rezystora. Przy dużych częstotliwościach rezystor staje się nieistotny a dwa szeregowe kondensatory stają się jednym i charakterystyka jest jak poprzednio. Ale przy kompensacji dwubiegunowej ( jest to „regulator” PII z zerem w odpowiedzi zamkniętej pętli ) wzmocnienie zaczyna spadać dopiero przy częstotliwości 700 Hz ale ze spadkiem 40 db na dekadę.  Z kompensacją dwubiegunową wzmocnienie wzmacniacza przy średnich częstotliwościach jest dużo większe niż z jednobiegunową.

W starej technologi monolitycznej tranzystory PNP miały podłe parametry częstotliwościowe i po ominięciu wejściowej pary PNP sprzężeniem wprzód ( Feedforwad compensation) uzyskiwało się wzmacniacz o całkiem szerokim paśmie co pozwalało konstruować układy o znakomitych parametrach jak przetwornik RMS czyli wartości skutecznej napięcia.
https://matusiakj.blogspot.com/2016/05/przetwornik-wartosci-skutecznej-rms-1987.html
Idee tą zastosowano w wielu wzmacniaczach na wewnętrznym poziomie monolitycznym a nie aplikacyjnym – zewnętrznym   
Duże wzmocnienie z kompensacja dwubiegunową przy średnich częstotliwościach może bardzo mocno zmniejszyć nieliniowość zamkniętej pętli z nieliniowym podsystemem.
Japońskie koncerny w czasie swojej niezwykle groźnej  ofensywy eksportowej produkowały sprzęt Audio o parametrach niedostępnych zachodniej konkurencji. Tylko japońskie koncerny produkowały liniowe tranzystory mocy o bardzo szerokim obszarze pracy bezpiecznej SOA i wysokiej częstotliwości granicznej Ft do wzmacniaczy mocy Audio. We wzmacniaczach tych zastosowano kompensacje dwubiegunową (!) co skutkowało zniekształceniami nieliniowymi na poziomie tysięcznych procenta. W odbiornikach UKF-FM zastosowano tunery o bardzo małych szumach i znakomitej odporności na intermodulacje a w ich torze IF filtry ceramiczne o liniowej fazie wspomożone korektorami fazy co dawało znakomity odbiór Stereo. Odpowiedzią bezradnego Zachodu był subiektywizm i Audiofile co to słyszeli przeróżne rzeczy. Potężne wówczas koncerny Sony i Philips po kosztownych, udanych podstawowych badaniach dały światu cyfrowy standard CD i faktycznie od tego czasu od nich zaczęło się Cyfrowe Przetwarzanie Sygnałów DSP. To ten duet opracował przetworniki A/D i D/A Sigma Delta łatwe do taniego wyprodukowania w technologii CMOS. Sony do kompletu z odtwarzaczem CD dał cyfrowy wzmacniacz ( w istocie PWM ) TA-N88 wybiegając przed szereg o 20 lat ! 
Rząd amerykański znalazł się pod silną presją własnego przemysłu niezdolnego do szybkiej modernizacji technologii, który zażądał ochrony przed rujnującym zagranicznym importem z Japonii i Niemiec. Wymuszone przez hegemona porozumienie z Plaza wkrótce zdestabilizowało gospodarkę Japonii, która wpadła w trwałą stagnacje.  

Wielkie koncerny mikroelektroniczne produkują mikrokontrolery z dokładnymi wejściowymi przetwornikami A/D i PGA ( czyli AFE – Analog Front End )  i odpowiednimi interfejsami do realizacji elektronicznych liczników poboru energii elektrycznej oraz układy prototypowe ( czasem przypominają gotowy licznik ) z tymi mikrokontrolerami.
NXP ( połączone działy mikroelektroniki wydzielone z Philipsa i Motoroli ) do licznika jednofazowego energii proponuje układ KM34Z128.
„MCU FEATURES
-Up to 50 MHz ARM Cortex M0+ core with up to 128 KB flash and 16 KB RAM
-Highest resolution AFE with 4 x 24-bit SD ADC with 94 dB SNR
-Built-in VREF and PGA with low drift over temperature
-Four UART, two SPI and two I2C with IRDA and 7816 support
-Two analog comparators
-Single low-cost 32 kHz crystal for MCU and RTC
-Auto compensated RTC with high-speed calibration with high accuracy and 0.88 ppm resolution (1 Hz output pulse)
-Security with active tamper, memory protection unit
-Up to 4 x 40 and 8 x 36 segment LCD
Poza przetwornikami A/D jest to więc dość słaby mikrokontroler. Rozdzielczość przetworników A/D Sigma Delta wynosi 24 bity ale poziom szumów tylko 94 db a więc typowy dla przetworników 16 bitowych.  Przetwornikami SD zajmiemy się osobno bo warto, bowiem są one współcześnie koniem roboczym.
Do nieizolowanego od sieci A/D mikrokontrolera podany jest sygnał z rezystora przez który przepływa prąd odbiorcy i sygnał z dzielnika napięcia sieci. Zmienny prąd zasilania z sieci podaje zasilaczowi 3.3 Vdc kondensator 0.1 uF / 250 Vac a więc zastosowano najtańsze ze wszystkich znanych rozwiązanie. NXP oferuje dobry zestaw oprogramowania do licznika i jego zrobienie jest dość łatwe. Budzi zdumienie że w sumie prosty wyrób nie jest produkowany w Polsce lub w Chinach według projektu polskiej firmy i na jej zlecenie a drogo kupowane są liczniki z Zachodu.
Jaki jest sens kształcenia studentów skoro później kupuje się drogo gotowy wyrób z cudzą myślą ? 
Paradoksalnie znacznie mocniejsze mikrokontrolery są stosowane w opcjach komunikacyjnych licznika.
Zdaniem autora trzeba się kierować w stronę przyszłości czyli inteligentnych i tanich liczników m.in. rejestrujących pobór ( w przypadku prosumentów także dostawę do sieci ) energii w niewielkich interwałach czasu ale normy są dopiero w opracowaniu.  Zajmowanie się licznikami jak opisany wyżej po prostu zastępującymi licznik elektromechaniczny jest bezcelową stratą czasu. Licznik energii podlegają ścisłym regulacjom i zdumienie budzi że są liczniki elektroniczne bardzo podane na zakłócenia generowane przez falowniki dołączone do sieci!  

Sprawdzenie
1. Dlaczego pasmo filtrów określa się przy spadku charakterystyki amplitudowej właśnie circa o -3db ?
Podpowiedź: Jaka jest idealna charakterystyka amplitudowa filtru ? Jak teoria aproksymacji prowadzi do typowych charakterystyk filtrów w dziedzinie s ?

2. Regulator PID z dowolną transmitancją  obiektu II rzędu bez zer ( także niestabilny !) przy odpowiednim wyborze nastaw Kp, Ki, Kd ( mogą być dziwne) daje transmitancje integratora 1/s pętli otwartej co od razu widać z transmitancji tak zwanej „niezależnej” regulatora.

 Mimo iż taka zamknięta pętla od wejścia do wyjścia jest teoretycznie stabilna to dla zakłóceń system jest niestabilny. Dlaczego ?

3.Przyjęło się uważać że marginesy fazy i wzmocnienia pętli regulacji gwarantują stabilność i rozsądnie  małe przeregulowanie.  Skąd zatem przy regulacji obiektu całkującego regulatorami PI – PID tak wielkie przeregulowania przy rozsądnie szybko gasnących oscylacjach ?

Ćwiczenie.
1. Dla obiektów liniowych, stacjonarnych opisanych równaniami stanu przy kwadratowym wskaźniku jakości zależnym od wektora stanu x i sterowań u analityczny regulator w 1960 roku znaleźli Lotow ( ZSRR ) i Kalman.
Regulator wymaga znajomości wszystkich zmiennych stanu. Luenberger podał metodę odtwarzania niemierzonych zmiennych stanu obserwatorem w 1964 rozszerzając ją dla systemu wielowymiarowego w 1966 roku. Ideę obserwatora Luenbergera rozwinął Kalman. Filtr Kalmana jest optymalnym obserwatorem stanu układu pozwalającym na wyznaczenie optymalnego wzmocnienia obserwatora. Idee regulatora i obserwatora  później rozszerzono.
Z linowych kombinacji zmiennych stanu można uzyskać same zmienne ale nie zawsze.

Integrator regulatora PI połączonego kaskadowo z inercją o tej samej stałej czasowej odtwarza stan obiektu.

Od dekad do symulacji używa się programów komputerowych ale układy fizyczne mają swoje zalety naturalności i realnego istnienia.
W stareńkim ale genialnym układzie pokazowym obiektem regulacji  jest filtr dolnoprzepustowy drugiego rzędu R1C1R2C2 czyli kaskada dwóch inercji czyli obiekt II rzędu. Jego stanami są napięcia na kondensatorach C1 i C2. Ponieważ oscyloskop pokazuje sygnał w stosunku do GND aby można było obserwować sygnał na rezystorze R2 dano drugi obiekt z elementami  R1”C1”R2”C2” o zamienionej kolejności R2”C2”
Prostokątny, sinusoidalny lub trójkątny sygnał zadany  do regulatora zamkniętej regulacji podano z regulowanego generatora. System może pracować liniowo i z ograniczeniem sygnału wyjściowego regulatora.  

Regulator na wzmacniaczu operacyjnym A ma transmitancje dwóch regulatorów PI połączonych kaskadowo a więc razem z obiektem mają transmitancje dwóch kaskadowych integratorów. Dynamikę regulatora wyznaczają elementy  R1'C1'R2'C2' o wartościach identycznych jak w obiekcie ale w innej aranżacji. Mały kondensator celowo nie pokazany na schemacie z wyjścia na wejścia wzmacniacza jest dla zachowania stabilności wzmacniacza przy wysokich częstotliwościach  i jest nieistotny. Pominięto też inne szczegóły.
Potencjometr na wejściu wzmacniacza, w pozornie dziwnej konfiguracji, reguluje wzmocnienie regulatora w zamkniętej pętli. Przy największym wzmocnieniu nie jest możliwa obserwacja sygnału błędu Err o czym należy pamiętać a skala błędu zmienia się z regulacją wzmocnienia. To jest koszt prostoty na tle potężnych możliwości pokazu.
Regulowane różniczkowanie znajduje się tylko w torze sygnału wyjściowego z obiektu z buforującym wzmacniaczem operacyjnym B o wzmocnieniu 1. Jest to więc w istocie realizacja kanoniczna pierwotna transmitancji.
Dioda/y Zenera ( zworka – sygnał wyjściowy symetryczny lub asymetryczny ) zapobiegają przesterowaniu wzmacniacza regulatora po to aby odtwarzanie zmiennych stanu było zawsze  idealne także przy za dużym nasycającym sygnale wejściowym w stosunku do maksymalnego napięcia wyjściowego regulatora.
Kondensator C2' ( drugi integrator w regulatorze PII ) jedną końcówką dołączony jest do wejścia ujemnego wzmacniacza regulatora w konfiguracji odwracającej  czyli do Virtual Ground i na drugiej końcówce oscyloskopem można obserwować jego stan.
-Napięcie ( zmienna stanu ) na wszystkich kondensatorach C1 jest oczywiście takie samo. Ustal wpierw teoretycznie jakiemu sygnałowi w obiekcie odpowiada stan na kondensatorze drugiego integratora regulatora C2' czyli jakiemu stanowi obiektu lub ich kombinacji odpowiada ?
Podpowiedź: W szeregowym obwodzie RLC napięcie na L ma transmitancją HP, na oporniku BP a pojemności LP. Gdy sygnał wyjściowy ma być odniesiony do GND trzeba wybrać kolejność połączenia szeregowego elementów. Z tych samych rezystorów i kondensatorów można stworzyć filtr z wyjściem w stosunku do GND -  HP, BP i LP...
-Jaka jest teoretycznie częstotliwość graniczna i dobroć obiektu jako filtru dolnoprzepustowego ?
-Jakiego filtru charakterystykę częstotliwościową ma pętla regulacji czyli od wejścia sygnału zadanego z generatora do wyjścia obiektu. Traktując system jako filtr jaki parametr/y filtru reguluje potencjometr wzmocnienia a jaki różniczkowania ?
-Jakiego filtru charakterystykę częstotliwościową ma sygnał błędu Err w miejscu połączenia rezystorów węzła sumującego z potencjometrem wzmocnienia ?
 -Od czego głównie zależy wielkość (ewentualnego ) przeregulowania po okresie pracy z nasyceniem ?

2. Program Right Mark Audio Analyser ( w kolejnych wersjach ) mierzy charakterystyki częstotliwościowe i zniekształcenia nieliniowe kart dźwiękowych w komputerze i zewnętrznych urządzeń w pętli z kartą. Dawno temu dostępny był niekompletny tekst w C++ programu ale łatwy do uzupełnienia dla innego wyglądu. Sercem programu jest szybka transformata Fouriera FFT z odpowiednimi oknami do ważenia analizowanego sygnału. 

W ludzkim uchu występuje złożone zjawisko maskowania sygnałów. Jest ono podstawą do wszystkich metod stratnego kodowania cyfrowych sygnałów akustycznych.
W typowej dla wzmacniaczy operacyjnych i wzmacniaczy Audio konfiguracji wykonano ( dawno temu ale matematyka się nie zmienia ! ) bardzo prosty wzmacniacz do eksploracji tematu. Ma on wejściową parę różnicową PNP Q1,Q2 z desymetryzującym wyjście lustrem prądowym Q3,Q4, zasilaną źródłem prądowym Q5,Q6, stopień napięciowy NPN Q7 z zasilającym źródłem prądowym Q8,Q9  i komplementarny wyjściowy wtórnik emiterowy Q10,Q11. Wyjściowy wtórnik dla zmniejszenia zniekształceń zawsze pracuje w realnym wzmacniaczu ( były wyjątki, na przykład uA709 ) z prądem spoczynkowym ponieważ bez tego jego strefa nieczułości jest bardzo szeroka. W układzie nie ma jednak celowo polaryzacji komplementarnego wtórnika i ma on straszne zniekształcenia nieliniowe przejścia o szerokości ca 1.2V ! Rezystory sprzężenia zwrotnego wyznaczają wzmocnienie pętli około 20 razy.

Bez włożonej na piny zworki jest zwykła jednobiegunowa kompensacja częstotliwościowa Millera A ( z dwoma szeregowo połączonymi kondensatorami C ) a ze zworką w pozycji B kompensacja dwubiegunowa układem T ( dwa kondensatory i rezystor R, transmitancja PII  ) a w pozycji zmodyfikowanej jednobiegunowej C dla małych częstotliwości sygnał opornikiem z T brany jest z wyjścia wtórnika a dla dużych częstotliwości kondensatorem z T z kolektora stopnia napięciowego. Sygnał z wyjścia wzmacniacza opornikiem podany jest do słuchawek dla skalowania i ochrony słuchu a dzielnikiem rezystorowym do wejścia karty dźwiękowej.  
Zapisz wykresy z programu RMAA dla napięć wyjściowych wzmacniacza ca 1,5 i 10 Vp z trzema kompensacjami. Oczywiście kompensacje  B i C bardzo mocno obniżają zniekształcenia nieliniowe w stosunku do zwykłej kompensacji jednobiegunowej A.  Odsłuchaj fragmentów różnej muzyki. Próba powinna  / może być ślepa to znaczy inna osoba przestawia zworki a nie słuchacz.
-Wyjaśnij zjawiskiem maskowania w uchu aż tak wielkie różnice w subiektywnym odbiorze jakości między kompensacją jednobiegunową a B i C.
-Z czego wynika stosunkowo niewielka różnica w jakości dźwięku między kompensacjami B i C ?