Innehνall 1 Introduktion Processbeskrivning Inloggning och uppstart

Relevanta dokument
Modellering av en Tankprocess

Modellering av en Tankprocess

MODELLERING AV DYNAMISKA SYSTEM OCH INLUPP 2

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 5. Sammanfattning av föreläsning 4 Frekvensanalys Bodediagram

MODELLERING AV DYNAMISKA SYSTEM OCH INLUPP 2

Kap 3 - Tidskontinuerliga LTI-system. Användning av Laplacetransformen för att beskriva LTI-system: Samband poler - respons i tidsplanet

Reglerteknik AK. Tentamen 24 oktober 2016 kl 8-13

REGLERTEKNIK Inledande laboration (obligatorisk)

Frekvensbeskrivning, Bodediagram

Laplacetransform, poler och nollställen

TENTAMEN Modellering av dynamiska system 5hp

Laplace, Fourier och resten varför alla dessa transformer?

Frekvensbeskrivning, Bodediagram

ÖVNINGSTENTAMEN Modellering av dynamiska system 5hp

TSIU61: Reglerteknik. Frekvensbeskrivning Bodediagram. Gustaf Hendeby.

Välkomna till Reglerteknik Föreläsning 2

Kompletterande material till föreläsning 5 TSDT08 Signaler och System I. Erik G. Larsson LiU/ISY/Kommunikationssystem

REGLERTEKNIK Laboration 5

REGLERTEKNIK I BERÄKNINGSLABORATION 2

För att förenkla presentationen antas inledningsvis att förstärkningen K 0, och vi återkommer till negativt K senare.

INLÄMNINGSUPPGIFT I. REGLERTEKNIK I för STS3 & X4

PC-BERÄKNINGAR. REGLERTEKNIK Laboration 5 och inlämningsuppgift. Inlämningsdatum:... Inlämnad av labgrupp:... Gruppdeltagare:

Välkomna till TSRT15 Reglerteknik Föreläsning 2

TENTAMEN I REGLERTEKNIK

TSIU61: Reglerteknik. de(t) dt + K D. Sammanfattning från föreläsning 4 (2/3) Frekvensbeskrivning. ˆ Bodediagram. Proportionell }{{} Integrerande

Övningar i Reglerteknik

Formalia. Modellbygge & Simulering, TSRT62. Föreläsning 1. Varför modeller? Föreläsning 1: Modeller och modellbygge

Inlämningsuppgift 4 NUM131

G(s) = 5s + 1 s(10s + 1)

Laboration 1: Aktiva Filter ( tid: ca 4 tim)

Reglerteknik AK. Tentamen 9 maj 2015 kl 08 13

TSRT62 Modellbygge & Simulering

Liten MATLAB introduktion

Dilation Erosion. Slutning. Öppning

Transformkodning Idé: 1. Tag datasekvensen och dela in den i block av storlek N (eller N N om signalen är tvνadimensionell). Transformera dessa block

Laboration i Fourieroptik

Fouriermetoder MVE295 - bonusuppgifter

Frekvensplanet och Bode-diagram. Frekvensanalys

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 6. Sammanfattning av föreläsning 5 Lite mer om Bodediagram Den röda tråden!

Sekantmetoden Beräkningsmatematik TANA21 Linköpings universitet Caroline Cornelius, Anja Hellander Ht 2018

Laplace, Fourier och resten varför alla dessa transformer?

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 3. Sammanfattning av föreläsning 2 PID-reglering Blockschemaräkning Reglerdesign för svävande kula

Flerdimensionella signaler och system

Elektro och Informationsteknik LTH Laboration 4 Tidsplan, frekvensplan och impedanser

REGLERTEKNIK Laboration 4

Övningar i Reglerteknik. Differentialekvationer kan lösas med de metoder som behandlades i kurserna i matematisk analys. y(0) = 2,

Laborationsrapport Elektroteknik grundkurs ET1002 Mätteknik

REGLERTEKNIK Laboration 3

Stabilitetsanalys och reglering av olinjära system

Linjär algebra med tillämpningar, lab 1

Figur 2: Bodediagrammets amplitudkurva i uppgift 1d

Laboration i Fourieroptik

Reglerteknik M3. Inlämningsuppgift 3. Lp II, Namn:... Personnr:... Namn:... Personnr:...

Föreläsning 9, Bestämning av tidsdiksreta överföringsfunktioner

Projektorienterad laboration i REGLERTEKNIK Kompensering av DC-servo

Reglerteknik Z2. Kurskod: SSY 050 och ERE080. Tentamen

IDE-sektionen. Laboration 5 Växelströmsmätningar

Styr- och Reglerteknik för U3/EI2

REGLERTEKNIK KTH REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL En tillståndsmodell ges t.ex. av den styrbara kanoniska formen: s 2 +4s +1.

Lösningsförslag till tentamen i Reglerteknik (TSRT19)

Föreläsning 10, Egenskaper hos tidsdiskreta system

Signalanalys med snabb Fouriertransform

Originalbild Dilation Erosion Slutning Öppning R esultat av morfolo giska op er ationer til l upp gift 6(b). 2

LABORATIONSHÄFTE NUMERISKA METODER GRUNDKURS 1, 2D1210 LÄSÅRET 03/04. Laboration 3 3. Torsionssvängningar i en drivaxel

AC-kretsar. Växelströmsteori. Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

TSRT21 Dynamiska system och reglering Välkomna till Föreläsning 10

Föreläsning 14-16, Tillståndsmodeller för kontinuerliga system

Reglerteknik I: F1. Introduktion. Dave Zachariah. Inst. Informationsteknologi, Avd. Systemteknik

TENTAMEN I REGLERTEKNIK Y/D

Reglerteknik AK, FRT010

Tentamen ssy080 Transformer, Signaler och System, D3

Elektroteknikens grunder Laboration 3. OP-förstärkare

Reglerteknik AK. Tentamen kl

Samtidig visning av alla storheter på 3-fas elnät

( ), så kan du lika gärna skriva H ( ω )! ( ) eftersom boken går igenom laplacetransformen före

Laboration 3 Sampling, samplingsteoremet och frekvensanalys

TANA17 Matematiska beräkningar med Matlab

Lösningsförslag till tentamen i Reglerteknik fk M (TSRT06)

3 Maximum Likelihoodestimering

LAB 3. INTERPOLATION. 1 Inledning. 2 Interpolation med polynom. 3 Splineinterpolation. 1.1 Innehåll. 3.1 Problembeskrivning

Tentamen i Reglerteknik, för D2/E2/T2

REGLERTEKNIK, KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000, EL1110 och EL1120

REGLERTEKNIK KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120 Tentamen , kl

Transformer och differentialekvationer M3, 2010/2011 Ett par tillämpningar av Fourieranalys.

Introduktion till LTspice

AUTOMATIC CONTROL REGLERTEKNIK LINKÖPINGS UNIVERSITET. M. Enqvist TTIT62: Föreläsning 2. Här är

Automation Laboration: Reglering av DC-servo

TENTAMEN Reglerteknik 4.5hp X3

Tentamen ssy080 Transformer, Signaler och System, D3

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 2 den 17 dec 2007 klockan 8:00 13:00 för inskrivna på elektroteknik Ht 2007.

Reglerteknik I: F6. Bodediagram, Nyquistkriteriet. Dave Zachariah. Inst. Informationsteknologi, Avd. Systemteknik

LABORATIONSINSTRUKTION DIGITAL REGLERTEKNIK. Lab nr. 3 DIGITAL PI-REGLERING AV FÖRSTA ORDNINGENS PROCESS

Projekt 6. Fourieroptik Av Eva Danielsson och Carl-Martin Sikström

Transkript:

UPPSALA UNIVERSITET SYSTEMTEKNIK EKL och PSA, 2002 Dynamiska System (STS) Modellering av en DC-motor Sammanfattning Dynamiken för en dc-motor bestäms utifrνan en s k icke-parametrisk modellering, i detta fall en frekvensanalys. Som jämförelse betraktas även en parametrisk modell av motorn utifrνan en stegsvarsanalys. Slutligen genomförs en enkel modellvalidering. Förberedelseuppgifter: Läs igenom Kapitel 3.1 i kurshäftet. Lös förberedelseuppgifterna. Namn Handledarens kommentarer νarskurs Inskrivningsνar Utförd den Lab godkänd Sign

Innehνall 1 Introduktion 1 1.1 Processbeskrivning................................... 1 1.2 Inloggning och uppstart................................ 1 2 Processmodellering 2 2.1 Frekvensanalys..................................... 2 2.1.1 Experimentell bestämning av frekvensfunktionen.............. 3 2.2 Stegsvarsanalys..................................... 4 3 Validering 6

1 Introduktion Mνalet med följande laboration är att undersöka dynamiken för en dc-motor genom frekvensanalys. Mer specifikt skall ett Bodediagram för motorn experimentellt bestämmas. Utöver detta skall en parametrisk modell av motorn tas fram m h a en stegsvarsanalys. De bνada metoderna skall jämföras, och framtagna modeller skall valideras. 1.1 Processbeskrivning Denna process (dc-motorn) är i princip samma process som i Exempel 2.3 i kurskompendiet. En dc-motor ger ett drivande moment som pνaverkar en axels vinkelläge. En förenklad schematisk bild av processen ses i Figur 1. u(t) DC Motor (t), y(t) Figur 1: Schematisk uppbyggnad av processen. ffl Insignal till processen är spänningen u(t) över motorn. ffl Utsignalen frνan systemet, y(t), fνas genom att man mäter en spänningen över en variabel resistans kopplad till vinkelläget. Notera att en gradskiva är fäst pνa motoraxeln, vilket underlättar avläsning av vinkelläget. ffl Axelns vinkelhastighet kan indirekt mätas m h a en s k tachometer som ger en spänning proportionell mot vinkelhastigheten. Det variabla motstνandet transformerar vinkellägen mellan 150 ffi och +150 ffi till motsvarande spänningar. Relationen mellan vinkel (t) [rad] och spänningen y(t) är y(t) =K p (t) [V ] K p = 30 180 300 ß = 18 ß [V=rad] (1) 1.2 Inloggning och uppstart Assistenten informerar (i bästa fall) om hur man loggar in samt startar upp datorn! Observera att i denna version av MATLAB kan data bara sparas och laddas till en temporär katalog. Använd kommandot save /usr/tmp/filnamn eller load /usr/tmp/filnamn för att spara respektive ladda data frνan filnamnet filnamn. 1

2 Processmodellering Vi kommer att betrakta tvνa olika modelleringsalternativ, vad som brukar kallas icke-parametrisk och parametrisk modellering i form av frekvens- och stegsvarsanalys. Som namnet indikerar är en parametrisk modell en beskrivning av processen i form av en funktion (t ex en differentialekvation eller en överföringsfunktion) bestämd av en eller flera parametrar. Vet man dessa parametrar har man en fullständig beskrivning, om än approximativ, av systemet man undersöker. En ickeparametrisk modell däremot beskriver snarare processen genom en sekvens av värden som kan presenteras, t ex, i form av en Bodeplot. Man vet alltsνa inte hur den bakomvarande funktionen (processen) som har genererat dessa värden ser ut men genom smarta algoritmval, t ex att välja en insignal som ger en karakteristisk respons, kan man dra viktiga slutsatser utifrνan en analys av den erhνallna datamängden. Givetvis finns det för- och nackdelar med bägge metoderna. 2.1 Frekvensanalys Vi vet frνan exemplen 2.3 och 3.2 i kurskompendiet att en dc-motor kan betraktas som ett linjärt system med överföringsfunktion G(s) = K m s(1 + fis) (2) frνan insignal u(t) till position y(t). Dνa gäller som bekant att om insignalen är en sinus med amplitud A och frekvens! kommer även utsignalen att vara en sinus med samma frekvens men fasförskjuten ffi =argg(i!) radianer i förhνallande till denna och med en amplitud y 0 = AjG(i!)j (efter att alla transienter dött ut), se Figur 2. Det komplexa talet G(i!) bestämmer sνaledes entydigt systemets svar pνa en sinus med frekvens!. Alternativt kan man säga att G(i!) beskriver hur olika frekvenskomponenter av en generell insignal kommer att transformeras av systemet (jmf med Fouriertransformen). Använder man en sinussignal med frekvens! som insignal kan alltsνa jg(i!)j beräknas genom att kvoten mellan amplituderna pνa utsignalen och insignalen bestäms. Argumentet arg G(i!) ges genom att beräkna utsignalens fasläge i förhνallande till insignalen. Upprepas försöket för olika! har vi sνaledes en metod att experimentellt bestämma frekvensfunktionen G(i!). Plottas därefter jg(i!)j och arg G(i!) som funktion av! med logaritmiska skalor fνar vi vad som kallas ett Bodediagram. u(t) =A sin!t - G(i!) - y(t) =y0 sin(!t + ffi) Figur 2: Sinus in ger sinus ut. Förberedelseuppgift 1: Bestäm log jg(i!)j och arg G(i!) analytiskt, där G(i!) är given av (2). 2

2.1.1 Experimentell bestämning av frekvensfunktionen Frekvensanalysen utförs med MATLAB programmet freqservo. För att exekvera freqservo används följande syntax [w,mag,fi]=freqservo, där w är bestämda frekvenspunkter, mag är systemets förstärkning och fi är systemets fasförskjutning. Notera att dessa vektorer ges av programmet. När programmet körs kommer användaren att tillfrνagas om en önskad frekvens. Därefter genereras en sinussignal med den givna frekvensen som insignal till processen. Insignal och utsignal visas i realtid pνa skärmen. Därefter estimeras systemets förstärkning och fasförskjutning vid den önskade frekvensen och en ny insignalfrekvens kan matas in. Notera att innan en ny insignalfrekvens matas in skall gradskivan, som är fäst pνa motoraxeln, nollställas. Alla mätvärden presenteras bνade pνa skärmen och i form av ett Bodediagram. Som ett komplement visas även plottar pνa in och utsignal med linjära trender (exempelvis en drift) borttagna. Dessa plottar kan användas för att kontrollera att programmet returnerar rimliga värden. Efter att ni har avslutat experimentet är det viktigt att ni sparar (se Avsnitt 1.2) undan vektorerna w, mag and fi eftersom dessa värden kommer att användas senare. Exekvera programmet [w,mag,fi]=freqservo enligt ovan. Välj frekvenspunkter i intervallet! 2 [1; 10] rad/s. Uppgift: Vi vet att motorn kan modelleras som ett andra ordningens system utan nollställen, se (2). Hurνaterspeglas detta i bodeplotten? Mer specifikt, hur varierar log jg(i!)j och arg G(i!) dνa! ökar? Se även förberedelseuppgift 1. 3

2.2 Stegsvarsanalys Som ett komplement till frekvensanalysen i föregνaende avsnitt skall vi här modellera vνar motor utifrνan en stegsvarsanalys, och ta fram modellparametrarna K m och fi i (2). Överföringsfunktionen för vνar process kan som sagt beskrivas med följande modell (se (2)) G(s) = K m s(1 + fis) = Y (s) U(s) (3) som beskriver hur vinkelpositionen y(t) [volt] beror av insignalen u(t). Det följer direkt frνan (3) att modellen kan delas upp i tvνa delsystem som V (s) = K m1 U(s) (4) 1+fis Y (s) = K p V (s) (5) s där v(t) är vinkelhastighet, K p definieras i (1) och K m1 är en okänd förstärkning. Vi noterar att K m = K m1 K p (6) Förberedelseuppgift 2: Genom att applicera inversa Laplacetransformen pνa (4), bestäm v(t) dνa u(t) är ett enhetssteg. 4

För att bestämma fi för systemet (3) skall vi göra en stegsvarsanalys av delsystemet (4). Observera alltsνa att stegsvaret görs pνa systemet frνan insignal, u(t), till vinkelhastighet, v(t), eftersom systemet (3) inte är asymptotiskt stabilt. När vi nedan talar om utsignal menar vi alltsνa vinkelhastigheten, v(t), och inte som tidigare läget, y(t). Tyvärr kan vi inte mäta vinkelhastigheten direkt i nuvarande laborationsuppställning. Till vνart förfogande har vi dock MATLAB programmet tachometer som ger ut en konstant insignal u (ett steg), mäter och plottar en spänning proportionell mot vinkelhastigheten v(t); värdet pνa proportionalitetskonstanten bestäms senare i laborationen men är irrelevant dνa fi skall bestämmas. Kör programmet tachometer och bestäm fi utifrνan nödvändiga avläsningar i den erhνallna figuren. Observera att tidskonstanten för ett system definieras i avsnitt 3.1.5 i kurskompendiet. Förberedelseuppgift 3: Antag att ett steg med amplitud u s appliceras pνa systemet (4), som befinner sig i vila. Efter en viss tid fνas dνa den konstanta utsignalen (vinkelhastighet) v(t) =v s. Ange ett uttryck för K m som funktion av u s och v s. Notera att ekvation (1) ger K p. Härnäst skall K m bestämmas experimentellt enligt receptet i förberedelseuppgiften ovan. För att generera en spänning pνa motorn används MATLAB-kommandot proc da(0,u). Notera speciellt att proc da(0,0) innebär att motorn stannar. Lνat insignalen till motorn vara u s =6,ochmät tiden T som det tar för motorn (gradskivan) att röra sig 10 varv. Vinkelhastigheten v s ges dνa av 5

2ß 10 v s = =... [rad/s] (7) T och K m kan bestämmas, enligt Förberedelseuppgift 3, till K m =... Hur lyder den slutliga modellen (frνan insignal u(t) till position y(t)) med numeriska värden? G(s) = K m =... (8) s(1 + fis) Slutligen skall värdet pνa proportionalitetskonstanten k fi för tachometern bestämmas. Vi noterar att k fi inte ingνar i nνagon av modellerna (4) eller (8). Den behövs dock senare dνa modellen (4) skall valideras. Kom ihνag att tachometern ger ut en signal v 0 som är proportionell mot vinkelhastigheten v, dvs v = k fi v 0 (9) MATLAB-kommandot proc ad(1,v 0 ) kan användas för att läsa av signalen v 0 frνan tachometern. Notera dock att v 0 mνaste vara definierad i MATLAB, exempelvis satt till värdet noll, innan proc ad(1,v 0 ) kan exekveras. Lνat insignalen till systemet vara u s =6,vilket innebär att vinkelhastigheten blir v = v s, se (7). Använd sedan proc ad(1,v 0 ) för att bestämma k fi utifrνan (9). k fi =... (10) 3 Validering MATLAB kommandot bodejmf kan användas för att jämföra den parametriska modellen (stegsvarsanalysen) med den icke-parametriska modellen (frekvensanalysen) i frekvensdomänen. Använd help bodejmf för detaljer om hur bodejmf används. Notera att ett polynom i MAT- LAB skrivs som en vektor innehνallande polynomkoefficienterna, exempelvis, s 2 +2s +3 skrivs som [1 2 3]. Kör bodejmf och kommentera resultatet. Överensstämmer modellerna? 6

Härnäst skall vi jämföra beteendet för den verkliga processen med en simulering av vνar framtagna modell (8). MATLAB makrot steg v(km,fi,kfi ) applicerar ett steg som insignal till den verkliga processen respektive modellen (8) och plottar utsignalen, i detta fall vinkelhastigheten v(t). Evaluera steg v(km,fi,kfi ) meddenumeriska värdena för K m, fi och k fi som ni experimentellt bestämde i föregνaende stycke och kommentera resultatet. Slutligen försök att besvara/fundera över följande frνagor: ffl Nämn minst en fundamental skillnad mellan parametriska och icke-parametriska metoder. Försök även att lista nνagra för- och nackdelar med parametriska respektiveicke-parametriska modeller? ffl Vad finns det för felkällor som kan pνaverka hur väl era modeller kan prediktera beteendet av den verkliga processen? 7