Vad är reglerteknik?

Transkript

1 Vad är reglerteknik? Tatjana Grebensjikova Marie Wikström Mälardalens högskola, IDt, Västerås Kursnamn: Vetenskapsmetodik inom teknikområdet Kurskod: CT3620 Handledare: Gordana Dodig Grnkovic Västerås

2 Sammanfattning Vad är reglerteknik? Enkelt uttryckt kan man säga att reglerteknik är läran om automatiska system. Reglerteknik är ett brett och spännande teknikområde som fick ett extra lyft i samband med rymdkapplöpningen på 60-talet och som nu är på väg att få en ny renässans när intelligenta funktioner introduceras i olika typer av inbyggda system. Dessa system är ett tvärvetenskapligt ämne inom tekniken. Det kommer till användning i nästan alla teknikområden: kemiteknik, energiteknik, fordonsteknik, elkraftteknik, elektronik, verkstadsteknik, fartyg, flygplan, konsumentprodukter m.m. Reglertekniken är också ett ämne som knyter ihop flera andra teknikämnen som ellära, mätteknik, datorteknik, fysik och matematik. Icke minst måste man ha kunskaper om de processer som ska regleras. Allt detta gör reglertekniken till ett mycket intressant, men också något speciellt ämne. 2

3 Innehållsförteckning Sammanfattning... 2 Innehållsförteckning Inledning Historisk översikt Tidiga reglersystem Traditionell reglerteknik ( ) Optimal reglering ( ) Robust reglering ( ) Några användningsområden inom reglertekniken Processindustri Kraftverk och energiproduktion Verkstadsindustri Positionsreglering Varvtalsreglering Fartyg och flygplan Bilar och bussar Konsumentprodukter Människokroppen Ögat Temperaturreglering Balanssinnet Reglerteori Analog reglering Tidsdiskret reglering Linjära reglersystem Olinjära reglersystem Fördelar med reglering Processen kan snabbas upp Icke mätbara störningar kan kompenseras bort Känsligheten minskar och noggrannheten ökar Instabila processer kan stabiliseras Slutsatser Referenser Litteratur Internet

4 1 Inledning Styrning och reglering blir idag allt vanligare inslag i vår vardag. Anledningen är att datorutvecklingen gjort det möjligt att bygga in avancerade styr- och övervakningsfunktioner i snart sagt alla typer av produkter och anläggningar. Reglertekniken är den gren inom ingenjörsvetenskapen som har till uppgift att utveckla allmänna metoder för styrning av system. Ett väsentligt drag hos reglerteknisk teori och metodik är dess generella natur, varigenom samma metoder kan användas inom många olika tillämpningsområden. 2 Historisk översikt 2.1 Tidiga reglersystem Ämnet reglerteknik är ingen ny upptäckt, utan har tillämpats mycket länge. Den tidigast kända tillämpningen av styrning var ett system för konstbevattning som babylonierna använde omkring år 2100 f. Kr. Holländaren Meikle uppfann år 1750 ett system för automatisk inriktning av väderkvarnar. Det var dock först i samband med industrialismens genombrott på 1800-talet som reglerteknik kom att tillämpas i större utsträckning. En känd apparat är James Watts centrifugalregulator från 1788, avsedd för att hålla varvtalet hos en ångmaskin konstant, oberoende av belastning och ångtryck. Se figur 1. Figur 1: Ångmaskin från 1790-talet En annan tidig tillämpning av reglering var autopiloten. Redan 1912 installerades en autopilot i en flygbåt. 2.2 Traditionell reglerteknik ( ) Utvecklingen av långdistanstelefonin krävde elektroniska förstärkare av hög kvalitet. Harold Black visade att genom att bygga en förstärkare med mycket hög förstärkning och återkoppla den (d.v.s. införa reglering) kunde man reducera inverkan av parametervariationer i komponenterna. Som ett viktigt redskap införde man analys och design baserad på transformteori (Laplace), överföringsfunktioner och frekvensmetoder. 4

5 Teorierna för stabilitet hos förstärkare kom till nytta under andra världskriget, då stora resurser satsades på utveckling av vapensystem. Reglertekniken berikades här genom utveckling av servomekanismer för styrning av fartyg, flygplan, kanoner och radarantenner. Ämnet tog som en följd av den starka utvecklingen under andra världskriget form av en självständig vetenskap. 2.3 Optimal reglering ( ) Flyg- och rymdtekniken, som snabbt tog fart i början av 1950-talet, ställde reglertekniska problem som inte kunde lösas med de dittills utvecklade metoderna. Den person som kom att lämna största bidraget till denna epok i reglerteknikens utveckling var Rudolf Kalman. Han ställde, i slutet av 50-talet, upp ett allmänt uttryck för den regulator som minimerar en viss kvadratisk kriteriefunktion. En av styrkorna med Kalmans metod är att den täcker in dynamiska system (som varierar med tiden). Detta gjorde metoden till ett viktigt redskap i NASA: s rymdprogram. Speciellt 60- och 70-talen var matematikernas årtionden i reglertekniken. Stora akademiska institutioner byggdes upp på många håll. Även i Sverige, som en direkt följd av Karl Johan Åströms betydelsefulla insatser som professor i reglerteknik i Lund Optimal reglering brukar också kallas modern reglerteknik. 2.4 Robust reglering ( ) Fastän optimal reglering var synnerligen viktig för flyg- och rymdfart, visade det sig att den stora satsningen på reglerteknisk forskning under 60- och 70-talen inte ledde till några större framsteg inom industriell processreglering. Medan nya teorier utvecklades i hög takt vid de akademiska institutionerna, använde man sig i industrin ofta fortfarande av dimensioneringsregler som tagits fram på 30- eller 40-talet. Ett gap mellan teori och praktik hade uppstått. En anledning till att optimal reglering inte fann tillämpning inom industriell processreglering var att det inte fanns någon direkt metod att behandla osäkerhet i processmodellen. I många tillämpningar har man dålig kännedom om processen. Metoderna visade sig därför inte alltid vara robusta. Nya krav i början på 80-talet, i synnerhet inom petrokemisk processreglering, drev fram ett nytt område inom reglertekniken kallat robust reglering. Delvis innebar detta en tillbakagång till överföringsfunktioner och frekvensområden, som varit bortglömda sedan slutet av 50-talet. Det finns kanhända fog för att säga att 80- och 90-talen var kemisternas årtionden inom reglertekniken, tack vare den starka kemitekniska tillämpningen av robust reglering samt att flera av de framträdande forskarna inom området var kemister. Exempelvis professorerna Manfred Morari (ETH, Tekniska högskolan i Zürich) och Sigurd Skogestad (NTNU, Norges Teknisk-naturvetenskapliga Universitet i Trondheim). Robust reglering kallas ibland också ibland också för postmodern reglerteknik. 5

6 3 Några användningsområden inom reglertekniken 3.1 Processindustri Ett mycket stort tillämpningsområde för reglertekniken är inom processindustrin. Det kan t.ex gälla följande typer av industrier: Petrokemisk industri Pappersmassefabriker Reningsverk Stålverk Raffinaderier Livsmedelsindustrier För att en kemisk processanläggning ska fungera optimalt krävs att temperaturer, tryck, flöden, koncentrationer etc. hela tiden hålls inom noga föreskrivna gränser. Stora avvikelser kan leda till att produktkvaliteten försämras, att energiåtgången blir onödigt stor eller att det uppstår kostsamma avbrott i driften. Om man skulle försöka hålla en kemisk anläggning igång utan någon form av automatisk processreglering skulle det krävas mängder av operatörer som ständigt övervakade varje del av anläggningen och utförde justeringar. Detta skulle givetvis vara ekonomiskt orimligt. Antalet reglersystem i en medelstor kemisk processanläggning varierar från några hundra till några tusen beroende på anläggningens storlek och på graden av automatisering. Exempel på processer som kan behövas regleras i en kemisk fabrik är värmeväxlare, kemiska reaktorer, kokare och tryckbehållare. Den vanligaste variabeln för reglering är temperatur. I vissa kemiska processer krävs samtidig reglering av ett flertal storheter som sinsemellan påverkar varandra vilket ställer höga krav på aktuella styr- och reglersystem. I pappersmaskiner är det t.ex. viktigt med noggrann reglering av såväl ytvikt som fukthalt. 3.2 Kraftverk och energiproduktion Ett speciellt område där det krävs mycket reglerteknik för att driften ska fungera tillfredsställande är inom kraftverksteknik och energiproduktion. I det svenska kraftnätet finns system av både överordnad och lokal karaktär. Det viktigaste exemplet på ett system av överordnad karaktär är reglering av den i nätet totalt producerade effekten så att den hela tiden motsvarar aktuell förbrukning. Till system av överordnad karaktär kan man också räkna regleringen av spänningen och frekvensen på nätet. På lokal nivå förekommer också många reglersystem. Några viktiga exempel är reglering av varvtal och effekt på enskilda vind- och vattenkraftverk, reglering av tryck och temperaturer i kärnkraftverk samt reglering av varvtal och tryck i ångturbiner. Se figur 2. 6

7 Figur 2: Kraftverk 3.3 Verkstadsindustri Ett annat vanligt tillämpningsområde för reglerteknik är inom verkstadsindustrin. Två typer av uppgifter är speciellt vanliga, nämligen positionering och varvtalsreglering Positionsreglering Positionsreglering innebär att man flyttar och positionerar lasten i önskade lägen. Positionsreglering förekommer bl.a i följande fall: Positionsreglering av verktyg i numeriskt styrda verktygsmaskiner. Inriktning av gripdon m.m. i industrirobotar. Styrning av kranar. Styrning av självgående truckar. Fjärrstyrning av antenner, raketer och luftvärnskanoner. Det kan nämnas att dagens industrirobotar har mycket avancerade reglersystem som bidrar till att åstadkomma optimal precision och maximal snabbhet Varvtalsreglering Varvtalsreglering innedär att man håller konstant varvtal på roterande maskiner och motorer trots att den yttre belastningen varierar. Det kan t.ex. gälla motorer som används till pumpar, automatsvarvar, fläktar, transportband och slipmaskiner. Problemet är att många elmotorer är konstruerade så att deras varvtal minskar då belastningen ökar. 3.4 Fartyg och flygplan I både fartyg och flygplan finns många reglersystem. Ett av de viktigaste reglersystemen i ett flygplan är autopiloten som ser till att flygplanet håller sig på önskad flyghöjd och i önskad kursriktning. Ett system för start och landning av ett flygplan är givetvis mycket mer komplicerat än ett system för t.ex. temperaturreglering i en ugn. Landningssystemet kräver exempelvis avancerad utrustning för kontroll av flygplanets position, hastighet och riktning, många styrdon och avancerad databehandling för att fungera. Utöver de reglersystem som kontrollerar själva flygningen kan nämnas de system som reglerar klimatet i kabinen. Även på fartyg förekommer ofta system för reglering av kursriktningen. Detta gäller såväl för fiskebåtar och segelbåtar som för större lastfartyg. För manövrering av fartyg i trånga hamnar 7

8 finns ibland reglersystem som hjälper besättningen att framföra fartyget på ett säkert sätt. Eftersom radar och infrarött ljus används för att mäta upp fartygets exakta position kan man även i dimma och mörker veta var man befinner sig. Ett annat reglersystem som ofta förekommer på fartyg är aktiva stabilisatorer, som minskar rullning i sidled och gör båtfärden behagligare för passagerarna. 3.5 Bilar och bussar Moderna bilar och bussar är idag försedda med många sofistikerade reglersystem. Ett exempel är de låsningsfria bromsar (ABS-bromsar) som de flesta nya bilar är försedda med. Tack vare ABS-bromsarna har man kunnat minska bromssträckan hos moderna bilar med flera meter vid kraftiga inbromsningar. De modernaste ABS-bromsarna har förmågan att anpassa sig till olika typer av vägbanor (torr asfalt, våt asfalt, grus, snö m.m.) och kan bestämma lämpligt hydraltryck med hänsyn till detta. Ett system som delvis använder samma hårdvara som ABS-bromsarna är de system som förekommer för att förhindra att bilar och bussar slirar på halt underlag. Dessa system kommer främst till användning på vintern, då problemet med slirande fordon är störst. Ett annat område där sofistikerade reglersystem används är i motorn, där mikrodatorbaserade regulatorer allt oftare får styra bränsleblandning samt tidpunkt för bränsleinsprutningen och tändningen. Ytterligare exempel på reglersystem som förekommer i moderna bilar är: system för automatisk hastighetsreglering (s.k. farthållare) system för att bestämma optimal tidpunkt för byte av växel i datorstyrda automatiska växellådor system för temperatur- och klimatreglering i bilens kupé datorstyrd fjädring system för reglering av temperaturen i bilens kylsystem system för att reglera hastigheten så att ett säkert avstånd hålls till framförvarande fordon (s.k. intelligenta farthållare) Det påstås att Volvos S80 innehåller lika mycket datorkapacitet som moderna stridsflygplan typ JAS-39 Gripen. 3.6 Konsumentprodukter Det finns inbyggda reglersystem i många olika typer av konsumentprodukter, t.ex. mikrovågsugnar, tvättmaskiner, kameror och CD-spelare. Reglersystemet för skärpeinställningen i en kamera är ett positionsreglersystem. Positionen hos kamerans objektivlinser motsvarar ett visst inställt avstånd till objektet. Genom att mäta det verkliga avståndet till objektet och jämföra detta med objektivlinsernas position fås en felsignal som på vanligt sätt kan användas för att styra de elmotorer som ställer in objektivet. Ett annat reglersystem i en kamera är systemet för inställning av exponeringstid och bländaröppning. Ytterligare reglersystem som förekommer i avancerade filmkameror är system för automatisk bildstabilisering (systemet tar bort eller dämpar de oundvikliga skakningarna då man filmar) och system med intelligenta auto-focus (den följer dina ögonrörelser och ställer in skärpan på den del av motivet som du tittar på). Ett av reglersystemen i en CD-spelare är det som används för positionering av läshuvudet på rätt spår av CD-skivan. 8

9 3.7 Människokroppen Människokroppen innehåller att stort antal återkopplade system som hela tiden ser till att kroppens funktioner inte går över styr. Några exempel på våra biologiska reglersystem är följande: Ögat Ögat innehåller ett reglersystem som ser till att det får lämplig ljusmängd in till näthinnan och de ljuskänsliga syncellerna. Ögat innehåller också ett reglersystem som ställer in linsens brytningsförmåga, så att vi kan se skarpt på olika avstånd Temperaturreglering Som bekant är människans ideala kroppstemperatur ca +37 C. Om kroppen plötsligt skulle värmas upp eller kylas ned inträder snabbt olika biologiska funktioner som strävar efter att återställa kroppstemperaturen på dess ideala värde. Vid nedkylning ökar förbränningen i cellerna samtidigt som vi börjar skaka för att alstra extra värme. Vid uppvärmning börjar vi svettas för att utnyttja avdunstningens avkylande effekt Balanssinnet Hela balanssinnet kan ses som ett komplicerat reglersystem. Exempelvis när vi håller på att falla skickar balanssinnet genast signaler till hjärnan, som i sin tur skickar impulser till armar och ben för att generera de muskelrörelser som förhindrar dig att falla omkull. Vid bilkörning är det främst ögonen som fungerar som givare. Ögonen sänder information till hjärnan om att vägen kröker och hjärnan skickar i sin tur signaler till musklerna om att vrida på ratten för att förhindra att du åker i diket. 4 Reglerteori Ett enkelt reglersystem består av en process och en regulator, som är kopplade i en sluten slinga. Processen kan påverkas genom sin insignal, som också kallas styrsignal. Mätsignalen (ärvärdet), eller processens utsignal, ger information om processen. Regulatorn har två insignaler, ärvärdet och börvärdet. Skillnaden mellan dessa kallas reglerfelet. En automatisk funktion (regulatorn) justerar sedan styrsignalen så att reglerfelet blir litet, dvs. så att ärvärdet följer börvärdet. Regulatorns utsignal är kopplad till processens insignal. Sambandet mellan processens in- och utsignaler är ett dynamiskt system, dvs. ändringar i insignalen märks inte momentant i utsignalen. Regulatorn är också ett dynamiskt system. Se figur 3. Reglerfel Styrsignal Börvärde Ärvärde + - Regulator Process Återkoppling Figur 3: Schema över ett reglersystem Mer komplicerade reglersystem har många mätsignaler och många styrsignaler. 9

10 Matematiska modeller är viktiga vid analys och konstruktion av reglersystem. Samma typ av matematiska modeller kan användas för att beskriva de mest skilda typer av system. Detta är orsaken till att de reglertekniska principerna är så allmänna. Vid konstruktion av ett reglersystem är det viktigt att i förväg kunna beräkna egenskaperna hos systemet. Ett sätt att avgöra egenskaperna är att beräkna hur reglersystemets utsignal svänger in sig efter olika typer av störningar och börvärdesändringar. Av de erhållna tidsförloppen kan man få en uppfattning om hur stabilt systemet är, hur snabbt det är och om det förekommer kvarstående fel. Metoden att beräkna tidsförlopp är ofta besvärligt. Beräkningarna kräver nästan alltid besvärliga partialbråksuppdelningar. Regulatorns uppgift i ett reglersystem är att med hjälp av information om felets storlek bilda styrsignalen. Bildandet av styrsignalen kan ske på många olika sätt. Rent matematiskt skiljer man mellan analog reglering och tidsdiskret reglering, samt mellan linjära och olinjära reglersystem. 4.1 Analog reglering Analog reglering är sådan reglering där styrsignalen är en kontinuerlig signal. De flesta rent analoga regulatorer är av elektronisk typ och byggs med hjälp av komponenter som operationsförstärkare, motstånd och kondensatorer. Till de analoga regulatorerna kan man också räkna vissa mikrodatorbaserade regulatorer. 4.2 Tidsdiskret reglering Tidsdiskret reglering är sådan reglering där regulatorn arbetar i diskret tid, dvs. där styrsignalen endast ändrar sig vid diskreta tidpunkter (t. ex en gång var femte sekund eller en gång per minut). Ibland kallas detta också digital reglering. Vid tidsdiskret reglering används i praktiken alltid en mikrodator som huvudkomponent i regulatorn. Tidsavståndet mellan varje ny styrsignalberäkning är samplingstiden Linjära reglersystem Linjära reglersystem är sådana system där sambandet mellan in- och utsignalen hos de ingående blocken kan beskrivas med s.k. linjära ekvationer. De flesta industriella reglersystem tillhör denna grupp. 4.4 Olinjära reglersystem Olinjära reglersystem är alla övriga system, dvs. sådana som ej kan beskrivas med linjära ekvationer. 5 Fördelar med reglering 5.1 Processen kan snabbas upp Med snabbheten hos ett system menas hur snabbt systemet reagerar på börvärdesändringar eller hur snabbt systemet kan kompensera för störningar som påverkar systemet. 5.2 Icke mätbara störningar kan kompenseras bort Tag som exempel temperaturreglering. Plötsligt kommer solen fram ur molnen och börjar värma upp huset. Om inte termostater används kommer rumstemperaturen att öka. 1 Sampling innebär en omvandling av en tidskontinuerlig signal till en tidsdiskret signal. 10

11 5.3 Känsligheten minskar och noggrannheten ökar Med hjälp av återkoppling kan bra resultat erhållas utan att man behöver ha noggrann kännedom om processen. Princip: Om ärvärdet är mindre än börvärdet, öka då styrsignalen lite till. 5.4 Instabila processer kan stabiliseras Fastän de utgör en klar minoritet finns ett antal processer som i sig är instabila. Exempel ett flygplan som (något förenklat) har sin tyngdpunkt bakom vingen. Ett annat exempel är då man försöker balansera en inverterad pendel. Se figur 4. Dessa modeller kräver kraftfulla regulatorer. 5 Slutsatser Figur 4: Modell av en inverterad pendel För att tekniska system och produkter skall uppfylla högt ställda funktionskrav, till exempel beträffande noggrannhet, kvalitet, energiutnyttjande, miljöeffekter och människa/maskinanpassning, krävs reglering och styrning. Antalet användningsområden för reglerteknik har kraftigt ökat under se senaste årtiondena. I många fall där man tidigare använde manuella system används idag automatiserade system. En orsak till detta är att datorer och nya komponenter har förbättrat möjligheterna att automatisera olika processer. Eftersom bra modeller av de system man vill styra spelar så stor roll för reglertekniken är det naturligt att en hel del av forskningen är inriktad på hur man tar fram modeller och hur man analyserar deras egenskaper. Ett olinjärt system är ett system som har helt olika egenskaper beroende på styrsignalens karaktär. Sådana system är mycket svårare både att beskriva och att hantera, och det krävs en hel del avancerad teknik och programvara för att få bra lösningar till denna typ av system. Forskningen inom detta område handlar om reglertekniska frågor kring sådana systems egenskaper och om att ta fram lämpliga datorverktyg baserade på matematisk teori. 11

12 6 Referenser 6.1 Litteratur L.Harnefors, Processreglering, Mälardalens högskola, Västerås 2002 L.Harnefors, J.Holmberg, Signaler och system, Mälardalens högskola, Västerås 2003 B.Lennartson, Reglerteknikens grunder, Studentlitteratur 2000, Lund 2001 B.Schmitdbauer, Analog och digital reglerteknik, Studentlitteratur 1988, Lund 1995 B.Thomas, Reglerteknik, Esselte Studium, Falköping 1989 B.Thomas, Modern Reglerteknik, Liber AB, Falköping Internet