Reglerteknik är konsten att få saker att uppföra sig som man vill

Transkript

1 TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Vad är reglerteknik? TSIU61: Reglerteknik Föreläsning 1 Kursinformation Bakgrund Gustaf Hendeby gustaf.hendeby@liu.se Reglerteknik är konsten att få saker att uppföra sig som man vill TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Industrirobot Fartreglering, undvik kollision Dosering av insulin En robotarm är relativt vek, och oscillerar kraftigt efter förflyttningar. För att uppnå den snabbhet och precision som behövs krävs reglerteknik. Avstånd/hastighet Undvika kollision Tillflöde av insulin, mätningar av blodsockernivån

2 TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Moderna stridsflygplan ˆ Ibland medvetet designade så att de inte går att flyga manuellt (för att få bättre prestanda och flygegenskaper). ˆ Kräver ett reglersystem ˆ Om reglersystemet har designfel kan det gå illa och det är precis detta som var orsaken till krascherna 89 och 93. TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Segway Ett mycket bra exempel på en product där hela idén bygger på att man har en regulator. TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Hårddiskar Läsarmen måste placeras på exakt rätt plats så snabbt som möjligt positionsreglering, samtidigt som skivan roterar med rätt hastighet varvtalsreglering, Utan reglering svänger armen vid förflyttningar och man måste vänta länge tills armen är stilla innan man kan kan läsa data. Automiserad nakros Ett reglersystem ersätter/hjälper narkossköterskan (fortfarande i forskningsstadie) Systemet reglerar medvetandegraden.

3 ... TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Moderna bilar De flesta förkortningarna i försäljningsbrochyren döljer ett reglersystem! ABS Anti-lock Braking System, reglering av bromstryck ESC Electronic Stability Control, reglering av girstabilitet ACE Active Cornering Enhancement, reglering av stötdämpare i kurvor TCS Traction Control System, reglering av vägfäste ACC Automatic Cruise Control, reglering av fart/avstånd ANC Active Noise Control, reglering av ljud TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Extremt stora teleskop Vi har nått gränsen för hur stora speglarna kan göras. Stora teleskop byggs med massvis av små speglar som sedan kontinuerligt styrs så att bilden blir skarp (kallas adaptiv optik). TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Innehåll föreläsning 1 Mobiltelefoni Reglerteknik används för att reglera signalstyrkan i kommunikationen mellan mobiltelefon och basstation. 1. Inledning 2. Administrativt om kursen 3. Vad är reglerteknik? 4. Matematiska modeller med differentialekvationer 5. Enkaste återkopplingen: P-regulator

4 TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Kursens syfte Om kursen ˆ Visa principerna i de vanligaste reglersystemen ˆ Lära ut ˆ konstruktion och ˆ utvärdering av regulatorer för lineära system med en insignal och en utsignal. TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Metoder TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Praktiskt om kursen Konstruktion och utvärdering innebär att vi behöver en kvantitativ matematisk beskrivning (modell) av processen. För detta kommer vi använda: ˆ Differentialekvationer ˆ Laplacetransformer Övrig matematik som kommer att användas: ˆ Komplexa tal ˆ Lineär algebra (matrisräkning) ˆ Egenvärden ˆ Examinator och föreläsare: Gustaf Hendeby ˆ 12 föreläsningar (teori, exempel) ˆ 15 lektioner (varav 2 i datorsal) (räkna och diskutera, fråga) ˆ 2 laborationer (lab-pm finns på hemsidan) 1. Modellering (laboteket), lek och lär 2. Reglerdesign mha PID (laboteket), lek och lär Nya labbar, ersätter tidigare vattentankar. ˆ Anmälningar till laborationen görs via nätet, se länk på kurshemsidan. Tips: Börja i god tid med förberedelseuppgifterna!

5 TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Mer praktiskt om kursen ˆ All kursinformation inkl. föreläsningsmaterial finns på kursens hemsida ˆ Reglertekniks hemsida: Courses EL-, KA- och MI-programmen Reglerteknik ˆ Eller direkt: ˆ Tenta: Bok med normala anteckningar är tillåtet hjälpmedel ˆ Ställ frågor! Reglerteknik TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Reglerteknik TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Reglerproblemet abstraktion Vad är gemensamt för samtliga problem? ˆ Förbättrar existerande tekniska system ˆ Centralt område för många av Sveriges teknikföretag ˆ Tacksamt område med många roliga tillämpningar! ˆ Mycket intressant matematik Hidden Science Sammanfattningsvis kan sägas att reglerteknik finns nästan överallt, men är ofta dold ( the hidden science ). Reglerproblemet ˆ Välj styrsignalen u automatiskt ˆ så att mätsignalen y från systemet S ˆ uppför sig som vi vill ˆ trots störningar v.

6 TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Strategier för att lösa reglerproblemet (1/3) 1. Öppen styrning TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Strategier för att lösa reglerproblemet (2/3) 2. Framkoppling från störsignal Problem med öppen styrning: ˆ Förutsätter fullständig kunskap om systemets funktion ˆ Tar inte hänsyn till störningar Problem med framkoppling: ˆ Förutsätter fullständig kunskap om systemets funktion, speciellt hur störningarna fungerar. ˆ Det finns fler, icke mätbara störningar, som påverkar y. TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Strategier för att lösa reglerproblemet (3/3) 3. Återkoppling: TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Ett exempel (1/2) Reglermål: Stabilisera bilens kursvinkelhastighet (eng: yaw rate control) Standardmanöver, dubbelt filbyte i 100 km/h. Regulatorn påverkar framhjulens vinkel (aktiv styrning). Fördelar med återkoppling: ˆ Behöver INTE exakt kunskap om systemet ˆ Tar hänsyn till störningar på utsignalen (även icke mätbara) ˆ Instabila system kan stabiliseras Nackdel med återkoppling: ˆ Kan leda till instabilitet Utan regulator Med regulator Filmerna med tillstånd från ZF Lenksysteme

7 TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Ett exempel (2/2) TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Design av farthållare TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Design av farthållare TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Design av farthållare u(t) Drivande/bromsande kraft genererad av motor och broms [N] y(t) Bilens hastighet [m/s] φ Vägbanans lutning [rad] m Bilens vikt [kg] α Luftmotståndskoefficient [Ns/m], luftmotstånd = αy(t) [N]

8 TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Design av farthållare TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Design av farthållare TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Vad är en regulator egentligen? TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Narkosreglering Regulatorn är en dator i bilen, som mäter hastighet och önskad fart, och skickar styrsignaler (önskat moment) till motorn

9 TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Sveriges ekonomi TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Vilka är svårigheterna med reglerteknik? ˆ Det finns störningar på systemet, såsom t ex ändringar i temperatur, flöden, backlutning, vind, som vi inte har kontroll över. ˆ Systemet är aldrig helt känt. Kemiska och biologiska förlopp är komplicerade. ˆ Stabilitet ˆ Prestandakrav TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Sammanfattning Sammanfattning Sammanfattning av dagens föreläsning ˆ Reglerteknik finns nästan överallt ˆ Vi använder differentialekvationer för att skapa modeller över system ˆ Öppen styrning väldigt känsligt för modellparametrar och störningar ˆ Återkoppling kan reducera känsligheten markant ˆ Återkoppling u(t) = K ( r(t) y(t) ) kallas P-reglering ˆ Vi har fortfarande inte perfekt reglering, bättre regulator design krävs!

10 TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT / 34 Några begrepp som får summera föreläsning 1 Reglerteknik: Konsten att få system att uppföra sig som vi vill. Signaler: Funktioner av tiden som innehåller information. System: Ett objekt som drivs av insignaler och som respons på dessa producerar utsignaler. Återkoppling: För tillbaka information om det som hänt. Reglerteknik är läran om återkopplade system. P-reglering: Enklaste regulatorn, där styrsignalen är en proportionell förstärkning av reglerfelet.