Industriella styrsystem, TSIU06 Föreläsning 1 Reglerteknik, ISY, Linköpings Universitet
Utgångspunkter Vad? Varför? Hur?
Vad? Reglerteknik - Konsten att styra system automatiskt
Vad? System - Ett objekt som vi vill få att uppföra sig på ett önskat sätt
Exempel på system Industriella processer (papper- och massaindustri,stål- och metallindustri,...) Energi och miljö (kraftverk, reningsverk, sopförbränning,...) Bilar (motorstyrning, farthållare, anti-sladdsystem,...) Flygplan (hastighet, höjd, kurs,...) Mobiltelefonisystem (quality-of-service,...) Industrirobotar (position, orientering, hastighet,...)... Här: Tonvikt på industriella system och processer.
Varför vill man styra dessa system? Krav på t ex: Kvalitet Produktivitet Säkerhet Bekvämlighet Hushållning med resurser Miljöpåverkan...
Processindustri pappersindustri stålverk raffinaderier...
Valsverk
Avfallsanläggning
Kemiindustri
Flygplan stabilisering farthållning, höjdhållning navigering automatsiktning...
Medicinsk teknik dialysapparatur pacemakers anestesi...
Funktioner i bilar Bilar: antispinn, antisladd låsningsfria bromsar motorstyrning för avgaskrav och bränsleekonomi farthållare osv
Sammanfattning Alltså: Det finns många exempel på system och processer som vi vill få att uppföra sig på ett visst sätt. Motiven är ofta t ex produktivitet, kvalitet, säkerhet, bekvämlighet, energieffektivitet, miljöpåverkan, m m. Nästa steg: Sätt att beskriva egenskaperna hos det objekt som ska styras. Metoder för att styra - Återkopplingsprincipen.
Om kursen Mål Organisation Personer
Mål Ge kunskaper och färdigheter om reglerteknik närmare verkligheten. Mera precist: Trimning av PID-regulatorer. Tidsdiskret form av PID-regulatorer. Hantering av integratoruppvridning m m. Implementering av PID-regulatorer i en PLC. Operatörsgränssnitt. Sekvensstyrning (binär styrning).
Organisation Kursen examineras via laborationer. Genomförande: Fö 1 - Fö 2 - Le 1 - Lab 1 (Processdator) Fö 3 - Le 2 - Le 3 - Lab 2 (PID-Implementering i PLC) Fö 4 - Le 4 - Lab 3 (Styrning av LEGO-fabrik) Projekt (kopplat till Lab1) Föreläsningarna ger den teoretiska bakgrunden. Lektioner bidrar till förberedelserna för laborationerna. Inför varje laboration måste förberedelseuppgifterna vara genomförda och godkända.
Mera om labbarna Inför varje lab: Bakgrund på föreläsningar och lektioner. Förbedelseuppgifter. Godkännande av förberedelseuppgifter vid ett s k Helpdesk-tillfälle. Separata Helpdesk-tillfällen för varje labtillfälle. Tider läggs ut på hemsidan samt skickas ut per e-post. Lab: Genomförande och redovisning
Personer Examinator och föreläsare: Lektioner: Måns Klingspor och Laborationsansvarig: Måns Klingspor, Oskar Ljunqkvist
Reglersystem Regulator och den styrda processen Blockdiagram r Regulator u Tankar y r: börvärde, referenssignal önskad tanknivå y: ärvärde, mätsignal mätt tanknivå u: styrsignal spänning till pumpmotorn
Proportionell återkoppling (P-reglering) Styrsignalen är proprtionell mot reglerfelet: u = K (r y) }{{} reglerfel
P-regulatorns egenskaper Antag: r är konstant: r = r o y och u svänger in sig till konstanta värden y o och u o Då gäller normalt att: e = r o y o blir mindre ju större K är. Dock blir det oftast inte exakt noll.
Instabilitet Ett alltför stort värde på K kan leda till att u och y överhuvud taget inte svänger in sig. u och y växer mot oändligheten (i praktiken tills de når en fysikalisk gräns). Fenomenet kallas instabilitet.
Ett instabilt förlopp 0.3 0.2 0.1 mätsignal 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Tid
Proportionell, inegrerande återkoppling (PI-reglering) ( u(t) = K e(t) + 1 t ) e(τ)dτ T I t o
PI-regulatorns egenskaper Antag: r är konstant: r = r o y och u svänger in sig till konstanta värden y o och u o Då gäller normalt att: y o = r o d v s, reglerfelet blir alltså exakt noll när t växer.
PI-regulatorns egenskaper (forts): Med I-del ökar risken för instabilitet. Inställningen av PI-regulatorn är en avvägning: snabb insvängning mot risken att komma för nära stabilitetsgränsen. Ett sätt att välja koefficienterna K och T I kommer senare.
Exempel System med statisk förstärkning 1 och tidskonstant 2. P-reglering med K = 1, 2, 5. PI-reglering med K = 5 och T I = 4, 1, 0.2.
P-reglering Nivå för K=1, 2 och 5 1 0.8 y(t) 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 sek
PI-reglering 1.5 Nivå för K=5 och T I = 4, 1 och 0.2 1 y(t) 0.5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 sek
Stegsvar och specifikationer Stegsvar: Utsignal då referensen är ett steg med amplituden r. y r M T r T s t Stigtid (typiskt från 10% till 90%): T r Insvängningstid, Lösningstid (t ex till ±5%): T s Översläng: M