Regulator. G (s) Figur 1: Blockdiagram för ett typiskt reglersystem

Relevanta dokument
A

TSIU61: Reglerteknik. Sammanfattning från föreläsning 3 (2/4) ˆ PID-reglering. ˆ Specifikationer. ˆ Sammanfattning av föreläsning 3.

TSIU61: Reglerteknik. PID-reglering Specifikationer. Gustaf Hendeby.

Systemteknik/Processreglering F2

Reglerteknik I: F3. Tidssvar, återkoppling och PID-regulatorn. Dave Zachariah. Inst. Informationsteknologi, Avd. Systemteknik

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

Övningar i Reglerteknik

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

Föreläsning 2. Reglerteknik AK. c Bo Wahlberg. 3 september Avdelningen för reglerteknik Skolan för elektro- och systemteknik

Lunds Tekniska Högskola Avdelningen för industriell elektroteknik och automation

PID-regulatorn. Föreläsning 9. Frekvenstolkning av PID-regulatorn. PID-regulatorns Bodediagram

Tentamen i Reglerteknik, 4p för D2/E2/T2

Reglerteknik AK, FRT010

Välkomna till Reglerteknik Föreläsning 2

F13: Regulatorstrukturer och implementering

Implementering av PID-regulatorer med dator

Undersökning av inställningsmetoder för PID-regulatorer

Läran om återkopplade automatiska system och handlar om hur mätningar från givare kan användas för att automatisk göra förändringar i processen.

Övning 3. Introduktion. Repetition

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del B

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

Industriella styrsystem, TSIU06. Föreläsning 1

Reglerteknik. Kurskod: IE1304. Datum: 12/ Tid: Examinator: Leif Lindbäck ( )

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

TENTAMEN I REGLERTEKNIK

Industriell reglerteknik: Föreläsning 3

Lösningar till tentamen i styr- och reglerteknik (Med fet stil!)

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik M Föreläsning 9

Industriella styrsystem, TSIU06. Föreläsning 2

Välkomna till TSRT15 Reglerteknik Föreläsning 2

AUTOMATIC CONTROL REGLERTEKNIK LINKÖPINGS UNIVERSITET. M. Enqvist TTIT62: Föreläsning 3 AUTOMATIC CONTROL REGLERTEKNIK LINKÖPINGS UNIVERSITET

Lösningsförslag till tentamen i Reglerteknik (TSRT19)

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik M Föreläsning 8

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 7

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik M Föreläsning 9

TSRT21 Dynamiska system och reglering Välkomna till Föreläsning 10

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

TENTAMEN Reglerteknik 3p, X3

Föreläsning 1 Reglerteknik AK

Lösningar till tentamen i Industriell reglerteknik TSRT07 Tentamensdatum: Martin Enqvist

TENTAMEN: DEL A Reglerteknik I 5hp

Industriella styrsystem, TSIU06. Föreläsning 1

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 2

övningstentamen I DYNAMISKA SYSTEM OCH REGLERING

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Reglerteknik AK. Tentamen kl

REGLERTEKNIK Laboration 5

ERE 102 Reglerteknik D Tentamen

Tentamen i Styr- och Reglerteknik, för U3 och EI2

TENTAMEN: DEL A Reglerteknik I 5hp

Självstudieövning 1: Grundläggande PID-reglering

Reglerteknik 7. Kapitel 11. Köp bok och övningshäfte på kårbokhandeln. William Sandqvist

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

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 8. Sammanfattning av föreläsning 7 Framkoppling Den röda tråden!

TSIU61: Reglerteknik. Frekvensbeskrivning Bodediagram. Gustaf Hendeby.

REGLERTEKNIK, KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000, EL1110 och EL1120

För att få ett effektiv driftsätt kan det ibland behövas avancerad styrning.

Signaler och reglersystem Kapitel 1-4. Föreläsning 1, Inledning Reglerteknik

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

TENTAMEN: DEL B Reglerteknik I 5hp

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Tentamen i Reglerteknik, för D2/E2/T2

Industriell reglerteknik: Föreläsning 4

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. Datum: 20/ Tid: Examinator: Leif Lindbäck ( ) Hjälpmedel: Formelsamling, dimensioneringsbilaga, miniräknare.

Tentamen i Reglerteknik. 7,5 hp varav tentamen ger 4,5 hp

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del B

PID-regulatorer och öppen styrning

TENTAMEN Reglerteknik 4.5hp X3

Reglerteknik 7. Kapitel 11. Köp bok och övningshäfte på kårbokhandeln. William Sandqvist

Reglerteknik för D2/E2/Mek2

Reglerteknik 1. Kapitel 1, 2, 3, 4. Köp bok och övningshäfte på kårbokhandeln. William Sandqvist

Laplacetransform, poler och nollställen

TENTAMEN REGLERTEKNIK TSRT15

Lead-lag-reglering. Fundera på till den här föreläsningen. Fasavancerande (lead-) länk. Ex. P-regulator. Vi vill ha en regulator som uppfyller:

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del A Tid: Torsdag 17 mars 2016, kl

TENTAMEN I TSRT91 REGLERTEKNIK

Lösningar till Tentamen i Reglerteknik AK EL1000/EL1100/EL

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

TSIU61: Reglerteknik. Lead-lag-regulatorn. Gustaf Hendeby.

REPETITION (OCH LITE NYTT) AV REGLERTEKNIKEN

ERE103 Reglerteknik D Tentamen

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del B

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik M Föreläsning 7. Framkoppling Koppling mellan öppna systemets Bodediagram och slutna systemets stabilitet

REGLERTEKNIK Laboration 3

Figur 2: Bodediagrammets amplitudkurva i uppgift 1d

Föreläsning 8, Introduktion till tidsdiskret reglering, Z-transfomer, Överföringsfunktioner

TENTAMEN I TSRT07 INDUSTRIELL REGLERTEKNIK

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

Reglerteknik AK. Tentamen 16 mars 2016 kl 8 13

Reglerteknik AK. Tentamen 27 oktober 2015 kl 8-13

TENTAMEN: DEL B Reglerteknik I 5hp

Reglerteknik AK, FRTF05

Transkript:

Rs) + Σ Es) Regulator G s) R Us) Process G s) P Ys) Figur : Blockdiagram för ett typiskt reglersystem Något om PID-reglering PID-regulatorn består av proportionell del, integrerande del och deriverande del. Varje del har sin finess. Ett typiskt reglersystem visas i Fig.. Regulatorns överföringsfunktion G R s) kan för en PID-regulator skrivas G R s) = K + ) T i s +T ds Vi ska nu införa varje del P, I och D) efter hand och se vilka fördelar var och en av delarna har. P-reglering Ren proportionell reglering kan skrivas ut) = Ket) = Krt) yt)) där rt) är börvärdet och et) är reglerfelet. Styrsignalen ut) är alltså proportionell mot reglerfelet et). Ju större reglerfel desto större styrsignal. Hur mycket större bestäms av regulatorns förstärkning K. Hur beter sig reglerfelet då börvärdet är ett enhetssteg rt) = θt)? Det beror naturligtvis inte bara på förstärkningen K utan också på överföringsfunktionen hos det vi ska reglera processen) dvs G p s). Om K inte är för stort kommer stegsvaret utsignalen från processen då insignalen är ett enhetssteg) att svänga in sig mot ett bestämt värde dvs det återkopplade systemet är stabilt). Vilket värde svänger då reglerfelet in sig mot i det fallet? För att ta reda på detta används slutvärdesteoremet: lim et) = lim ses) t s 0

För att kunna göra detta måste Es) tas fram: Es) = +KG p s) Rs) = +KG p s) s Nu kan det kvarstående reglerfelet beräknas: lim t et) = limses) = lim s s 0 s 0 +KG p s = +KG p 0) = +Kk 0 där k 0 = G p 0) är den statiska förstärkningen. Lägg märke till att felet aldrig kan bli riktigt 0 men genom att välja K stort kan felet göras litet. För stora K-värden kan ge upphov till oscillationer eller till och med instabilitet. Känsligheten för brus ökar också med förstärkningen K. Därför är stora värden på K ingen lösning för att få ner det kvarstående reglerfelet. Reglerfelet et) kan aldrig riktigt bli 0 eftersom då skulle ju också styrsignalen ut) = Ket) bli noll. PI-reglering Ett sätt att råda bot på problemet med kvarstående reglerfel är att sätta in något slags minne som kommer ihåg hur mycket styrsignalen måste höjas för att ärvärdet yt) ska ökas upp till börvärdet rt). Ett sådant minne är en integrator. Den nya styrlagen blir t t ) ut) = Ket)+k i eτ)dτ = K et)+ Ti eτ)dτ 0 Genom att laplacetransformera kan överföringsfunktionen för PI-regulatorn listas ut: Us) Es) = G Rs) = K + ) T i s Nu ställer vi samma fråga som för P-regulatorn: Hur stort blir kvarstående reglerfelet då börvärdet är ett enhetssteg när en PI-regulator används? Es) = Slutvärdesteoremet ger då lim t et) = limses) = lim s 0 +G R s)g p s) Rs) = +K+ )G T i s ps) s s 0 s s s+ks+/t i )G P s) 0 s = lim s 0 s s+ks+/t i )G P s) = 0 förutsatt att G P 0) 0, dvs processens statiska förstärkning får inte vara 0. Detta visar att integralverkan i regulatorn garanterar eliminering av reglerfelet i de fall då G p 0) 0 och, givetvis, under förutsättning att det återkopplade systemet är stabilt. 2

Reglerfel vid P reglering.0 0.8 0.6 0.4 0.2 et) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.0 0.5.0.5 2.0 2.5 t PD-reglering Figur 2: Reglerfel vid P-reglering Vid enbart proportionell reglering P-reglering) gäller oftast grundregeln att förstärkningen K bör sänkas om det är för mycket svängningar i utsignalen. Detta leder dock till att systemet blir långsammare. Om man vill ha ett snabbare system som ändå är väldämpat dvs inte så mycket svängningar) så får man ta till något mer än P-reglering. I Fig. 2 visas reglerfelet för ett system med P-reglering där K är lite för stort. Observera att styrsignalen ut) = Ket) bara beror av själva reglerfelet vid en viss tidpunkt. Detta innebär att styrsignalen får samma värde t.ex. vid de två första tidpunkterna för vilket reglerfelet har värdet 0.2 se Fig. 2). Detta verkar ju rent av dumt eftersom det vid första tidpunkten t ) är duktig nerförsbacke negativ derivata) medan det är uppförsbacke positiv derivata) vid den andra tidpunkten t 2 ). Det verkar vara befogat att ta hänsyn till derivatan av reglerfelet i styrlagen. Om man lägger till en term till i styrsignalen så att styrlagen blir ) de ut) = Ket)+k d dt t) = K de et)+t d dt t) 3

Reglerfel vid PD reglering.0 0.8 0.6 0.4 et) 0.2 0.0 0.2 0.4 0.0 0.5.0.5 2.0 2.5 t Figur 3: Reglerfel vid PD-reglering så blir det helt plötsligt möjligt att få olika värden på styrsignalen ut) vid de båda tidpunkterna t resp. t 2 ). Detta gör att svängningarna i reglerfelet kan dämpas ut se Fig. 3). Någon kanske undrar om det inte finns I-del också i regulatorn, eftersom reglerfelet verkar konvergera mot 0. Så är dock inte fallet, utan reglerfelet blir väldigt litet till följd av att förstärkningen är ganska stor K = 50) i båda fallen. Det är i själva verket systemet G P s) = s+) 2 somregleratsmedp-regulatorng R s) = 50respektivePD-regulatornG R s) = 50+0s K=50 och T d = 0.2 s). PID-reglering Kombinationen av alla tre delarna P, I och D) resulterar således i följande styrlag: ut) = K et)+ t de eτ)dτ +T d T i dt t) 0 4

Efter laplacetransformation av detta samband kan styrlagen uttryckas så här: Us) = K + ) T i s +T ds Es) = G R s)es) Detta är standardformen av PID-regulatorn. Det finns ett par olika modifieringar av denna när det gäller brister hos derivatadelen D-delen) av regulatorn. Dessa är dels pulser spikar ) som dyker upp i styrsignalen pga deriveringen av de stegändringar som ofta förekommer i börvärdet och dels den höga känsligheten för brus i ärvärdet. Motsvarande två modifieringar blir då följande:. Derivering av börvärdet tas bort: Us) = K + ) Es) T d sys) T i s 2. Lågpassfiltrering införs för derivatadelen: Us) = K + ) Es) T ds T i s +T f s Ys) Tidskonstanten i derivatadelens lågpassfilter väljs som T f = T d N där den s.k. filterfaktorn N ofta väljs mellan 5 och 0. Observera att då N blir det vanlig derivering igen. Allmänna inställningsregler För de tre grundparametrarna K, T i och T d gäller följande grundregler: Åtgärd Öka K Minska T i Öka T d Resultat + Snabbare insvängning + Mindre kvarstående reglerfel Sämre stabilitet mer svängningar) Ökad bruskänslighet + Snabbare eliminering av reglerfelet Sämre stabilitet mer svängningar) + Bättre stabilitet mer dämpat, mindre svängningar) Extremt ökad bruskänslighet 5

Speciella inställningsregler En klassisk metod från 942) är Ziegler-Nichols självsvängningsmetod. Den går ut på följande:. Återkoppla systemet proportionellt justera förstärkningen K så att systemet precis självsvänger varken avtagande eller ökande amplitud). Det räcker att ge någon puls eller ett steg in till systemet för att testa detta. 2. Notera dels förstärkningen K c och dels periodtiden T o för svängningen. 3. Ställ in regulatorparametrarna enligt följande tabell: Regulatortyp K T i T d P 0.5K c PI 0.45K c T o /.2 PID 0.6K c T o /2 T o /8 Metoden ger oftast ett ganska dåligt dämpat system men den ger en rimlig parameterinställning att utgå ifrån för att justera in en bättre inställning. Under de dryga 70 år som gått sen metoden lanserades har det dykt upp ett otal olika varianter och modifieringar av varierande kvalitet. Det finns dels metoder baserade på självsvängning som ovanstående) och dels metoder baserade på stegsvaret för systemet. Ziegler-Nichols hittade också på en stegsvarsbaserad metod som oftast är en aning sämre än deras självsvängningsmetod. Exempel på hur en stegsvarsbaserad metod kan se ut Som det nämnts i föregående avsnitt finns det många inställningsregler, såväl självsvängningsbaserade som stegsvarsbaserade. Därför ska det här bara ges ett exempel på hur en stegsvarsbaserad metod kan se ut. I Fig. 4 visas ett stegsvar för ett system av ordning 3 med tidsfördröjning tillsammans med stegsvaret för ett system av första ordningen med tidsfördröjning streckad kurva) som utgör en approximation till det heldragna stegsvaret. Approximationen har tidsfördröjningen L = 3.5 s och tidskonstanten T = 7.5 s. Statiska förstärkningen k 0 är 2 för båda systemen. Approximationsförfarandet är standardmässigt och går ut på att dra tangenten till inflektionspunkten maximalderivatapunkten ) hos det ursprungliga stegsvaret se Fig. 4). Tangentens skärning med tidsaxeln blir då L tidsfördröjningen för approximationen) och tidskonstanten för approximationen utgörs av bredden på den rätvinkliga triangel vars höjd är k 0 och vars hypotenusa utgör en del av tangentlinjen. I det aktuella fallet erhålles således tidskonstanten som 3.5 = 7.5 s. Denna approximation är av låg kvalitet. 6

2.0 Stegsvar med två olika approximationer.8.6.4.2 yt).0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Original Approximation kass) Approximation 2 bra) 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 20 t Figur 4: Stegsvar i original tillsammans med två approximativa stegsvar Enbättreapproximationnr2iFig.4)erhållesgenomattväljaT = 0.8t y=0.8k0 t y=0.3k0 ) 3.78sochL = t y=0.3k0 0.357 T 4.48sdet egentliga systemets 2 överföringsfunktion är e 2s ). Interpolation sker vid 30% och 80%. +2s) 3 En stegsvarsbaserad metod för bestämning av PID-parametrarna kan då se ut så här []:. Välj K = 0.4 ) 2 8T + k 0 5L 2. Välj T i = 2Kk 0 L+T) +2Kk 0 +αkk 0 ) 2, 0 α För små värden på L/T och med prioritet på laststörningssvar väljs α närmare, annars väljs α = 0. 3. Välj T d = 0.3 e 0.7L/T )T i 7

Referens [] M. Lilja, A Simple PID Control Design for Systems with Time Delay, Teknisk rapport, Avdelningen för Industriell Elektroteknik och Automation, LTH, 207, http://www.iea.lth.se/publications/reports/lth-iea-7266.pdf 8