Работа 2. Прибор с обратной связью

1. Задача

Прикажи мотору «крутись 3 секунды, чтобы проехать ровно метр». Он проедет — но то 90 см, то 110. Батарея чуть села, пол чуть скользкий, одно колесо чуть тормозит.

Команда «вслепую» почти никогда не даёт точный результат.

Задача работы: построить устройство, которое держит заданное значение несмотря на помехи — и доказать это графиком, а не словами «вроде работает».

Выбери одно:

2. Две стратегии управления

Замкнутый контур — это три шага, которые крутятся непрерывно:

3. От простого к работающему

Ступень 1. Релейное управление («вкл-выкл»)

Самое простое: ошибка положительная — включаем, отрицательная — выключаем.

if (temperature < target) {
    heaterOn();
} else {
    heaterOff();
}

Работает. Но: система будет колебаться вокруг цели — перегрев, остывание, снова нагрев. И на самой границе начнёт быстро щёлкать.

Ступень 2. Гистерезис (лечение дребезга)

Задаём не одну границу, а две:

if (temperature < target - 1.0) heaterOn();
if (temperature > target + 1.0) heaterOff();

Теперь в коридоре шириной 2 градуса вокруг цели ничего не переключается — щёлканье прекращается. Ровно так работает термостат холодильника и утюга.

Цена: точность падает до ширины «коридора». Это честный размен, и его надо уметь объяснить.

Ступень 3. Пропорциональное управление

Реагируем соразмерно ошибке: чем дальше от цели, тем сильнее воздействие.

где $e$ — ошибка, $k_p$ — коэффициент, который подбирается.

float error = target - measured;
int power = constrain(Kp * error, 0, 255);
analogWrite(MOTOR_PIN, power);

Мотор подъезжает к цели, замедляясь. Никаких рывков.

4. Главное: доказать графиком

Утверждение «мой прибор держит температуру» ничего не стоит без данных. Доказательство выглядит так:

График «время → измеряемая величина», на котором видно:

• линию цели;
• как система выходит на цель (быстро? с проскоком?);
• что происходит при возмущении — вы намеренно мешаете: открываете дверцу, дуете на датчик, подтормаживаете колесо рукой;
• как система возвращается к цели после помехи.

Что сравниваем

Обязательный опыт: то же самое без обратной связи.

Именно эта таблица доказывает, что обратная связь нужна. Без неё вся работа — рассказ.

5. Практика по этапам

Этап 1. Датчик и исполнитель по отдельности (2 урока)

Сначала убедись, что мотор крутится, а энкодер считает. Или что нагреватель греет, а термистор меряет. По отдельности, без всякого управления.

Готово, когда: в мониторе идут показания датчика, и ты можешь включить исполнитель командой.

Этап 2. Разомкнутый вариант (1 урок)

Сделай «вслепую»: включить на N секунд. Проведи 5 попыток, запиши разброс. Это твоя контрольная точка — с ней будешь сравнивать.

Этап 3. Замкнутый контур (3 урока)

Релейное → гистерезис → пропорциональное. На каждой ступени снимай график.

Этап 4. Испытание с возмущением (2 урока)

Мешай системе и записывай, как она справляется. Оформляй доказательство.

6. Типичные проблемы

7. Что сдаём

1. Работающее устройство, которое держит заданное значение.
2. Три графика: разомкнутое управление, замкнутое, замкнутое с возмущением.
3. Таблица сравнения разброса с обратной связью и без.
4. Описание настройки: как подбирал $k_p$ или ширину гистерезиса, что пробовал, на чём остановился и почему.
5. Защита (5 минут) с демонстрацией: показать вживую, как система отрабатывает помеху.

8. Критерии оценки

9. Куда это ведёт

Ты построил регулятор — узел, который сам поддерживает заданное. Точно так же работают термостат, круиз-контроль, автопилот, стабилизация квадрокоптера и управление температурой в реакторе. Отличается точность и цена ошибки, а принцип «измерь — сравни — исправь» один и тот же.

Следующий шаг, если тема зацепила, — добавить к пропорциональному члену интегральный и дифференциальный, получив классический ПИД-регулятор. Это уже уровень серьёзной автоматики, и он начинается ровно с того, что ты сегодня собрал.