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.
Beskrivning av reglering 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
Den enklaste regulatorn u = K (r y) }{{} reglerfel Proportionell reglering, P-reglering Styringreppet är alltså proprtionellt mot reglerfelet.
P-regulatorns stationära egenskaper Anta r är konstant: r = r o y och u svänger in sig till konstanta värden y o och u o Då gäller typiskt att det stationära reglerfelet r o y o blir mindre ju större K är. Dock blir det oftast inte exakt noll.
Instabilitetsproblemet Ett alltför stort värde på K kan leda till att u och y överhuvud taget inte svänger in sig. Typiskt växer signalerna tills de når en hård fysikalisk gräns. En annan möjlighet är de oscillerar mellan ett min- och maxvärde. 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
Att ta bort det stationär reglerfelet Proportionell och integrerande regulator (PI-regulator) ( u(t) = K e(t) + 1 t ) e(τ)dτ T I t o där e är reglerfelet e(t) = r(t) y(t)
PI-regulatorns stationära egenskaper Anta r är konstant: r = r o y och u svänger in sig till konstanta värden y o och u o Då gäller y o = r o Reglerfelet blir alltså exakt = 0 i stationaritet.
Instabilitet och I-del I-delens förmåga att eliminera reglerfel har ett pris: risken för instabilitet ökar. Inställningen av PI-regulatorn är en avvägning: snabb insvängning kontra risken att komma för nära stabilitetsgränsen
u y Testexempel: Vattentank Statisk förstärkning: 1 Tidskonstant: 2s 1 0.8 T 0.6 0.4 B 0.2 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 t T = tidskonstant 1 0.8 0.6 0.4 0.2 A B/A = förstärkning 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 t
P-reglering Störning som skulle ge nivåfelet 1 utan reglering. Nivårespons: 0.5 0.45 0.4 K=1 0.35 0.3 T I = 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 K=5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1
PI-reglering, stort T I Nivårespons: 0.45 0.4 0.35 K=1 0.3 0.25 T I =5 0.2 0.15 0.1 K=5 0.05 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1
PI-reglering, litet T I Nivårespons: 0.3 0.25 0.2 T I =0.5 0.15 0.1 K=1 0.05 0 K=5 0.05 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1
PI-reglering, lagom T I Nivårespons: 0.4 0.35 0.3 T I =2 0.25 0.2 K=1 0.15 0.1 K=5 0.05 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Här är T I lika med tankens tidskonstant.
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
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 - Le 1 - Lab 1 (Processdator) Fö 2 - Le 2 - Le 3 - Lab 2 (PID-Implementering i PLC) Fö 3 - Le 4 - Lab 3 (Styrning av LEGO-fabrik) + Studiebesök 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 finns på hemsidan samt skickas ut per e-post. Lab: Genomförande och redovisning
Personer Examinator och föreläsare: Lektioner: Ylva Jung och Laborationsansvarig: Ylva Jung