Vad är reglerteknik? Välkomna till Reglerteknik 2015!! Fredrik Lindsten fredrik.lindsten@liu.se Kontor 2A:521, Hus B, Reglerteknik Institutionen för systemteknik (ISY) Reglerteknik är konsten att få saker att uppföra sig som man vill Industrirobot Fartreglering, undvika 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.
Moderna stridsflygplan Ibland medvetet designade så att de inte går att flyga manuellt (för att få bättre prestanda och flygegenskaper). Kräver ett reglersystem. Automatiserad narkos Ett reglersystem ersätter/hjälper narkossköterskan (fortfarande i forskningsstadie) Systemet reglerar medvetandegraden. Om reglersystemet har designfel kan det gå illa och det är precis detta som var orsaken till krascherna 89 och 93. inom biologi/kemi Bioreaktor Läkemedelsdosering Medicinsk teknik: hjärtlungmaskiner, dialysapparater, etc. Populationsdynamik Det finns även en rad intressanta exempel inom systembiologi! Destillationskolonner Kemiska reaktorer (exempel idag) Värmeväxlare Förbränningsprocesser Moderna bilar De flesta förkortningarna i försäljningsbrochyren döljer ett reglersystem! ABS (Anti-lock Braking System, reglering av bromskraft) ESC (Electronic Stability Control, reglering av spårstabilitet) ACE (Active Cornering Enhancement, reglering av stötdämpare i kurvor) TCS (Traction Control System, reglering av vägfäste) ACC (Adaptive Cruise Control, reglering av fart/avstånd) ANC (Active Noise Control, reglering av ljud) (För TB: Aktuellt för TBMT33, Systembiologisk modellering, kandidatprojekt)
Exempel - aktiva säkerhetssystem Reglermål: Hålla kvar bilen i den egna filen om vi är på väg in i en farlig situation. 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). Lösning via en s.k. PD regulator. Används även för autobroms, se artikel i DN (30 mars, 2013) http://www.dn.se/nyheter/sverige/autobroms-mer-effektivt-mot-bilolyckor-an-vantat Reglerteknik Mobiltelefoni Reglerteknik används för att reglera signalstyrka i kommunikationen mellan mobiltelefon och basstation. Tacksamt område med många roliga tillämpningar! Förbättrar existerande tekniska system Centralt område för många av Sveriges teknikföretag Mycket intressant matematik Sammanfattningsvis kan sägas att reglerteknik finns nästan överallt, men är ofta dold ( the hidden science ).
Reglerproblemet abstraktion Strategier för att lösa reglerproblemet (I/III) Vad är gemensamt för samtliga problem? 1. Öppen styrning (insignal) (utsignal) Reglerproblemet: Välj styrsignalen u (automatiskt) så att systemet (enligt mätsignalen y) uppför sig som vi vill (enligt referenssignalen r) trots störningar v. u Styrsignal (insignal) y Mätsignal (utsignal) v Störsignal r Referenssignal (målsättning: y = r) S System, process Problem med öppen styrning: Förutsätter fullständig kunskap om systemets funktion Tar inte hänsyn till störningar Strategier för att lösa reglerproblemet (II/III) Strategier för att lösa reglerproblemet (III/III) 2. Framkoppling från störsignal 3. Återkoppling Problem med framkoppling: Förutsätter fullständig kunskap om systemets funktion, speciellt hur störningarna fungerar. Det finns fler, icke mätbara störningar, som påverkar y. Fördelar med återkoppling: Behöver INTE exakt kunskap om systemet Tar hänsyn till störningar på utsignalen (även icke mätbara) Instabila system kan stabiliseras Nackdel med återkoppling: Kan leda till instabilitet.
Exempel: antisladdsystem (I/II) Exempel: antisladdsystem (II/II) Reglermål: Stabilisera bilens kursvinkel (eng: yaw rate control) Standardmanöver, dubbelt filbyte i 100 km/h. n påverkar framhjulens vinkel (aktiv styrning). Rattvinkel (r) Hjulvinkel (u) Kursvinkelhastighet (y) Utan regulator Med regulator Filmerna är använda med tillstånd från ZF Lenksysteme Narkosreglering Vilka är svårigheterna med reglerteknik? > Död (r) droger (u) Medvetande (y) Det finns störningar på systemet, såsom t.ex. ändringar i temperatur, flöden, koncentrationer som vi inte har kontroll över. Systemet är aldrig helt känt. Kemiska och biologiska förlopp är komplicerade. Stabilitet Prestandakrav
Kursens syfte Metoder Visa principerna i de vanligaste reglersystemen Lära ut konstruktion och utvärdering av regulatorer för linjära system med en insignal och en utsignal. Konstruktion och utvärdering innebär att vi behöver en kvantitativ matematisk beskrivning (modell) av systemet. För detta kommer vi använda Differentialekvationer Laplacetransformer Övrig matematik som kommer användas: Komplexa tal Linjär algebra (matrisräkning) Egenvärden Praktiskt om kursen Mer praktiskt om kursen Examinator och föreläsare: Fredrik Lindsten 12 föreläsningar (teori, exempel) 13 lektioner (varav 4 i datorsal) (räkna och diskutera, fråga) All kursinformation inkl. föreläsningsmaterial finns på kursens hemsida Reglertekniks hemsida www.control.isy.liu.se/ 3 laborationer (labkurs 1,5hp, lab-pm finns på hemsidan) Courses 1. PID-regulatorer (laboteket), lek och lär 2. Modellbaserad reglering (laboteket). Mycket självständig laboration, förberedelser och rapport Grundkurser 3. Reglering av inverterad pendel (datorsal), förberedelser och dugga Reglerteknik Anmälningar till laborationen görs via nätet, se länk på kurshemsidan. Eller direkt: www.control.isy.liu.se/student/tsrt03/ Börja i god tid med förberedelseuppgifterna! Tenta: Bok med normal anteckningar är tillåtet hjälpmedel Ställ gärna frågor!
Innehåll föreläsning 1 Kemisk reaktor, bioreaktor 1. Inledning 2. Vad är reglerteknik? 3. Administrativt om kursen 4. Matematiska modeller med differentialekvationer 5. Enklaste återkopplingen: P-regulator Insignaler: inflöde, utflöde, uppvärmning, kemikaliedosering, Utsignaler: vätskenivå, temperatur, ph, koncentrationer, Reglermål: Hålla temperaturen i reaktorn konstant trots variationer i temperatur hos den inflödande vätskan. 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. Modell: Förenklad beskrivning av verkligheten. I denna kurs, en matematisk beskrivning av det system vi studerar. Dynamiska system: System där utsignalen just nu inte enbart beror av nuvarande insignaler utan även av tidigare insignaler. Det är system med minne. Återkoppling: För tillbaka information om det som hänt. Reglerteknik är läran om återkopplade system. Differentialekvationer: Används som modell för att beskriva vårt dynamiska system. Naturligt, eftersom de innehåller derivator av signalerna m.a.p. tiden (dynamik).