Vad är systemteknik och reglerteknik? Föreläsning 1. Systemteknik handlar om dynamiska system

Transkript

1 1 Föreläsning 1 Vad är systemteknik oc reglerteknik? Grundläggande begrepp Grafiska representationer Styrstrategier Öppen styrning, framkoppling Sluten styrning, återkoppling Vad är systemteknik oc reglerteknik? Systemteknik andlar om dynamiska system Hur kan man modellera dynamiska system? Hur kan man förstå ur ett komplext system bestående av många delsystem beter sig? Hur kan man få ett system att bete sig som man vill? (Reglerteknik) Rekommenderad läsning: Control: , Vilket system är (var!) det är? Vad är systemteknik? Systemteknik beandlar fundamentala systemprinciper, såsom framkoppling återkoppling stabilitet Den generella systemteorin måste alltid kompletteras med specifik ämneskunskap Kemiteknik, bioteknik, ekosystemteknik

2 Vad är ett system? Exempel: spritfabrik Nästan vad som elst! Mekaniska system Elektriska system Kommunikationssystem Biologiska system Ekologiska system Finansiella system... insignaler System tillstånd utsignaler [ttp://www2.cemeng.lt.se/edu/kte170/image/processscema2.jpg, 2009] Exempel: cell Exempel: papperstillverkning [ttp://student.britannica.com/eb/art-53771, 2008] [Hanaan, D., Weinberg, R.A. (2000). Te allmarks of cancer. Cell 100 (1):57 70] 2

3 3 Exempel: elektrisk krets Exempel: vattnets kretslopp [Rolf Braun, Reglerteknik LTH, 2003] [ttp:// 2008] Vad är reglerteknik? Reglerteknik är en delmängd av systemtekniken som beandlar återkopplade dynamiska system. Exempel: reglering av kemiska reaktioner i en plattreaktor Reglerteknik andlar om att styra system så att de beter sig på önskat sätt. System Återkoppling [Staffan Haugwitz, Reglerteknik LTH, 2007]

4 4 Exampel: optimal odling av bakterier Exempel: spårföljning i en DVD-spelare Stirrer Tracks Feed Exaust gas Radial electromagnet Lens Springs Focus electromagnet A B C D Ligt detectors Track Air Laser Pit [Lena de Maré, Automatic Control LTH, 2006] [Bo Lincoln, Reglerteknik LTH, 2003] trackpitc Några vardagsexempel på reglerteknik Att ålla konstant temperatur i en lokal, trots variationer i utomustemperatur oc antal personer i lokalen. Ljusregleringen i ögat. Pupillens storlek justeras automatiskt så att belysningen på nätinnan blir lagom stark. Att tappa upp ett bad Varför systemteknik/processreglering? Vad kan ni a för nytta av det ni lär er i kurserna? industri: dimensionera oc koppla samman olika delsystem, kommunicera med driftstekniker Laboratorieautomation: använda mätinstrument oc apparater, använda temperatur-, ph- oc koncentrationsreglering Pappers- oc massaindustri: reglering av papperskvalitet Livsmedels-/läkemedelsindustri: satsvis tillverkning Miljövård: beräkna effekter av utsläpp Ekologi: analysera populationsdynamik för djurarter...

5 5 Reglersystemets delar Exempel: flottör Styrdon Mätdon Mätdon/mätgivare (sensor/transmitter) Något som kan mäta vad som änder med systemet (controller) Något som bestämmer ur systemet ska styras Styrdon/ställdon (actuator) Något som kan påverka systemet Reglersystemets delar: Mätdon: flottören : ävstången Styrdon: utflödesventilen Exempel: värmeväxlare Exempel: processindustri Reglersystemets delar: Mätdon: temperaturgivare i utflödet : elektriskt instrument Styrdon: ventilen till kylflödet Reglersystemets delar: Mätdon: många olika, spridda över ela fabriken : centralt datorsystem i ett operatörsrum Styrdon: många olika, spridda över ela fabriken

6 Grafiska representationer cema (principiellt eller detaljerat) P/I-diagram Blockdiagram Principiellt processcema A rest B C Reaktor Värmeväxlare Separator Produktflöden, viktiga enetsoperationer, principiell sekvens av operationer Detaljerat processcema - oc instrumentdiagram (P/I-diagram) A FC F P PC B REAKTOR Produkt C VVX VVX DESTILLATIONSKOLONN KONDENSOR TRUMMA Topprodukt Ånga KOKARE A B L LC FC F REAKTOR T Produkt C T VVX TC VVX TC L LC DESTILLATIONSKOLONN T T TC TC KOKARE TRUMMA Ånga KONDENSOR L LC Topprodukt Alla viktiga flöden, alla eneter (t.ex. pumpar, ventiler), viktiga delsteg (t.ex. kokare, kondensator) Viktiga flöden (produkt- oc energiflöden, signalflöden), enetsoperationer oc instrument ( alla eneter, mätgivare, regulatorer oc styrdon) 6

7 7 Blockdiagram Blockdiagram för en process styrsignaler mätsignaler Blockdiagrammet återspeglar informationsflödet mellan olika delsystem, oc inte nödvändigtvis systemets fysikaliska flöden Pilarna överför information Kan finnas många olika sätt att rita blockdiagram för samma system ens påverkbara insignaler kallas styrsignaler (control signals/manipulated variables) ens icke påverkbara insignaler kallas (disturbances) ens mätbara utsignaler kallas mätsignaler (measurement signals/measured variables) Verkliget: Exempel: tankprocess Verkliget: Exempel: tankprocess Blockdiagram: Tank Blockdiagram: Tank Vi styr inflödet Vi mäter öjdenoc det fria utflödet Vi styr både inflödet oc utflödet Vi mäter öjden

8 Exempel: tankprocess Styrstrategi 1: öppen styrning Verkliget: Blockdiagram: referensvärde styrsignal utsignal Tank n är utformad så att utsignalen (ärvärdet) ska bli lika med referensvärdet (börvärdet) Vi styr utflödet Vi mäter öjden Ingen återkoppling (feedback) från utsignalen, bara framkoppling (feedforward) från referensvärdet Öppet system (open-loop system) Inflödet är en yttre störning som vi inte kan påverka Fördel: För- oc nackdelar med öppen styrning Kräver inga mätdon Öppen styrning med framkoppling från mätbar störning Om någon störning är mätbar kan man framkoppla från den: Nackdelar: Kräver en tillräckligt bra modell av det system man vill styra Fungerar bara för stabila processer Kan inte kompensera för referensvärde mätbar störning styrsignal icke mätbara utsignal Kräver mätdon De icke mätbara na kan fortfarande att ge ett fel i utsignalen 8

9 9 Styrstrategi 2: sluten styrning För- oc nackdelar med sluten styrning referensvärde Återkoppling från mätsignalen styrsignal mätsignal n bestämmer styrsignalen så att mätsignalen närmar sig referensvärdet Slutet system (closed-loop system) Fördelar: Kan minska inverkan av, öka snabbeten, förbättra noggranneten Kan stabilisera ett instabilt system Fungerar ofta utan en noggrann modell av systemet Kan möjliggöra elt nya produkter oc systemlösningar Nackdelar: Kräver mätdon Kan leda till självsvängningar oc instabilitet Mät förs tillbaka till processen Sluten styrning med framkoppling från mätbar störning Även i fallet med sluten styrning kan det vara bra att framkoppla från en mätbar störning: mätbar störning icke mätbara PID-regulatorn (inför Lab1) Modellbygge Nästa föreläsning Modellering av dynamiska system med jälp av differentialekvationer referensvärde styrsignal mätsignal n kan kompensera för störningen innan den fått något genomslag i mätsignalen