TSIU61: Reglerteknik Föreläsning 1 Kursinformation Bakgrund Gustaf Hendeby gustaf.hendeby@liu.se
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 1 / 34 Vad är reglerteknik? Reglerteknik är konsten att få saker att uppföra sig som man vill
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 2 / 34 Exempel på reglerproblem Industrirobot En robotarm är relativt vek, och oscillerar kraftigt efter förflyttningar. För att uppnå den snabbhet och precision som behövs krävs reglerteknik.
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 3 / 34 Exempel på reglerproblem Fartreglering, undvik kollision Dosering av insulin Avstånd/hastighet Undvika kollision Tillflöde av insulin, mätningar av blodsockernivån
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 4 / 34 Exempel på reglerproblem 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 HT1 2017 5 / 34 Exempel på reglerproblem Segway Ett mycket bra exempel på en product där hela idén bygger på att man har en regulator.
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 6 / 34 Exempel på reglerproblem 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.
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 7 / 34 Exempel på reglerproblem Automiserad nakros Ett reglersystem ersätter/hjälper narkossköterskan (fortfarande i forskningsstadie) Systemet reglerar medvetandegraden.
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 8 / 34 Exempel på reglerproblem 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 HT1 2017 9 / 34 Exempel på reglerproblem 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 HT1 2017 10 / 34 Exempel på reglerproblem Mobiltelefoni Reglerteknik används för att reglera signalstyrkan i kommunikationen mellan mobiltelefon och basstation.
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 11 / 34 Innehåll föreläsning 1 1. Inledning 2. Administrativt om kursen 3. Vad är reglerteknik? 4. Matematiska modeller med differentialekvationer 5. Enkaste återkopplingen: P-regulator
Om kursen
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 13 / 34 Kursens syfte 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 HT1 2017 14 / 34 Metoder 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
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 15 / 34 Praktiskt om kursen 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!
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 16 / 34 Mer praktiskt om kursen ˆ All kursinformation inkl. föreläsningsmaterial finns på kursens hemsida ˆ Reglertekniks hemsida: http://www.control.liu.se Courses EL-, KA- och MI-programmen Reglerteknik ˆ Eller direkt: http://www.control.isy.liu.se/student/tsiu61/ ˆ Tenta: Bok med normala anteckningar är tillåtet hjälpmedel ˆ Ställ frågor!
Reglerteknik
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 18 / 34 Reglerteknik 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 ).
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 19 / 34 Reglerproblemet abstraktion Vad är gemensamt för samtliga problem? Reglerproblemet ˆ Välj styrsignalen u automatiskt ˆ så att mätsignalen y från systemet S ˆ uppför sig som vi vill ˆ trots störningar v.
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 20 / 34 Strategier för att lösa reglerproblemet (1/3) 1. Öppen styrning Problem med öppen styrning: ˆ Förutsätter fullständig kunskap om systemets funktion ˆ Tar inte hänsyn till störningar
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 21 / 34 Strategier för att lösa reglerproblemet (2/3) 2. Framkoppling från störsignal 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 HT1 2017 22 / 34 Strategier för att lösa reglerproblemet (3/3) 3. Återkoppling: 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
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 23 / 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). Utan regulator Med regulator Filmerna med tillstånd från ZF Lenksysteme
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 23 / 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). Utan regulator Med regulator Filmerna med tillstånd från ZF Lenksysteme
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 23 / 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). Utan regulator Med regulator Filmerna med tillstånd från ZF Lenksysteme
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 24 / 34 Ett exempel (2/2)
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 25 / 34 Design av farthållare
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 25 / 34 Design av farthållare
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 25 / 34 Design av farthållare
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 25 / 34 Design av farthållare
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 25 / 34 Design av farthållare
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 26 / 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]
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 27 / 34 Design av farthållare
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 27 / 34 Design av farthållare
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 27 / 34 Design av farthållare
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 28 / 34 Vad är en regulator egentligen? Regulatorn är en dator i bilen, som mäter hastighet och önskad fart, och skickar styrsignaler (önskat moment) till motorn
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 29 / 34 Narkosreglering
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 30 / 34 Sveriges ekonomi
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 31 / 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
Sammanfattning
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 33 / 34 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!
TSIU61 Föreläsning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 34 / 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.
Gustaf Hendeby gustaf.hendeby@liu.se www.liu.se