Wprowadzenie do technik regulacji automatycznej. prof nzw. dr hab. inż. Krzysztof Patan



Podobne dokumenty
Automatyka i robotyka

Technika regulacji automatycznej

Automatyka i robotyka ETP2005L. Laboratorium semestr zimowy

Systemy. Krzysztof Patan

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Modelowanie

Transmitancje układów ciągłych

Sposoby modelowania układów dynamicznych. Pytania

Plan wykładu. Własności statyczne i dynamiczne elementów automatyki:

Podstawy Automatyki. Wykład 2 - podstawy matematyczne. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Modelowanie systemów mechatronicznych Platformy przetwarzania danych

Procedura modelowania matematycznego

Podstawy Automatyki. wykład 1 ( ) mgr inż. Łukasz Dworzak. Politechnika Wrocławska. Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji (I-24)

Automatyka i robotyka

ELEMENTY AUTOMATYKI PRACA W PROGRAMIE SIMULINK 2013

przy warunkach początkowych: 0 = 0, 0 = 0

Automatyka i robotyka

Sterowanie napędów maszyn i robotów

Podstawowe człony dynamiczne. dr hab. inż. Krzysztof Patan

Przyjmuje się umowę, że:

Technika regulacji automatycznej

Rys 1 Schemat modelu masa- sprężyna- tłumik

Podstawy Automatyki. Wykład 2 - modelowanie matematyczne układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ GÓRNICTWA I GEOLOGII. Roman Kaula

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Modelowanie

Tematyka egzaminu z Podstaw sterowania

Dyskretne układy liniowe. Funkcja splotu. Równania różnicowe. Transform

Podstawy Automatyki. Wykład 2 - modelowanie matematyczne układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Automatyzacja. Ćwiczenie 9. Transformata Laplace a sygnałów w układach automatycznej regulacji

Podstawy Automatyki. Wykład 4 - algebra schematów blokowych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Opis systemów dynamicznych w przestrzeni stanu. Wojciech Kurek , Gdańsk

Podstawy Automatyki. Wykład 2 - matematyczne modelowanie układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Obiekt. Obiekt sterowania obiekt, który realizuje proces (zaplanowany).

Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Instytut Podstaw Budowy Maszyn Zakład Mechaniki

Automatyka i Regulacja Automatyczna SEIwE- sem.4

Podstawy Automatyki Zbiór zadań dla studentów II roku AiR oraz MiBM

Teoria sterowania - studia niestacjonarne AiR 2 stopień

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Podstawy Automatyki

Podstawy środowiska Matlab

Automatyka i sterowania

Politechnika Warszawska Instytut Automatyki i Robotyki. Prof. dr hab. inż. Jan Maciej Kościelny PODSTAWY AUTOMATYKI

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

PAiTM. materiały uzupełniające do ćwiczeń Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych studia inżynierskie prowadzący: mgr inż.

Metodyka projektowania systemów sterowania Uwagi wstępne

Rys. 1 Otwarty układ regulacji

Podstawy Automatyki. Wykład 6 - Miejsce i rola regulatora w układzie regulacji. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Część 1. Transmitancje i stabilność

AiR_TSiS_1/2 Teoria sygnałów i systemów Signals and systems theory. Automatyka i Robotyka I stopień ogólnoakademicki

1. POJĘCIA PODSTAWOWE I RODZAJE UKŁADÓW AUTOMATYKI

Projektowanie układów regulacji w dziedzinie częstotliwości. dr hab. inż. Krzysztof Patan, prof. PWSZ

Podstawy Automatyki. Wykład 4 - algebra schematów blokowych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Transformata Laplace a to przekształcenie całkowe funkcji f(t) opisane następującym wzorem:

Przeksztacenie Laplace a. Krzysztof Patan

Kompensacja wyprzedzająca i opóźniająca fazę. dr hab. inż. Krzysztof Patan, prof. PWSZ

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Sterowanie ciągłe. Teoria sterowania układów jednowymiarowych

E2_PA Podstawy automatyki Bases of automatic. Elektrotechnika II stopień (I stopień / II stopień) Ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Sterowanie Serwonapędów Maszyn i Robotów

I. KARTA PRZEDMIOTU CEL PRZEDMIOTU

Podstawy Automatyki. Wykład 4 - algebra schematów blokowych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Instytut Podstaw Budowy Maszyn Zakład Mechaniki

Podstawy Automatyki. Wykład 3 - charakterystyki częstotliwościowe, podstawowe człony dynamiczne. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

Podstawy Automatyki. Wykład 7 - obiekty regulacji. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Politechnika Warszawska Instytut Automatyki i Robotyki. Prof. dr hab. inż. Jan Maciej Kościelny PODSTAWY AUTOMATYKI

Technika regulacji automatycznej

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Teoria obwodów / Stanisław Osowski, Krzysztof Siwek, Michał Śmiałek. wyd. 2. Warszawa, Spis treści

Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Instytut Podstaw Budowy Maszyn Zakład Mechaniki

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Instytut Podstaw Budowy Maszyn Zakład Mechaniki

Technika regulacji automatycznej

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

Lista zagadnień kierunkowych pomocniczych w przygotowaniu do egzaminu dyplomowego magisterskiego Kierunek: Mechatronika

Regulator PID w sterownikach programowalnych GE Fanuc

Podstawy automatyki. Energetyka Sem. V Wykład 1. Sem /17 Hossein Ghaemi

Z-ZIP-103z Podstawy automatyzacji Basics of automation

4. Właściwości eksploatacyjne układów regulacji Wprowadzenie. Hs () Ys () Ws () Es () Go () s. Vs ()

1. Regulatory ciągłe liniowe.

Podstawy automatyki Bases of automatics. Elektrotechnika I stopień (I stopień / II stopień) ogólno akademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Przekształcanie schematów blokowych. Podczas ćwiczenia poruszane będą następujące zagadnienia:

Zastosowanie dyskretnej transformaty Laplace a do modelowania przebiegu procesów przejœciowych w przemyœle

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

2.2. Metoda przez zmianę strumienia magnetycznego Φ Metoda przez zmianę napięcia twornika Układ Ward-Leonarda

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Podstawy automatyki Bases of automatic

Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Instytut Podstaw Budowy Maszyn Zakład Mechaniki

Zadania zaliczeniowe z Automatyki i Robotyki dla studentów III roku Inżynierii Biomedycznej Politechniki Lubelskiej

AKADEMIA MORSKA W SZCZECINIE WI-ET / IIT / ZTT. Instrukcja do zajęc laboratoryjnych nr 6 AUTOMATYKA

ELEKTRONIKA W EKSPERYMENCIE FIZYCZNYM

1. Transformata Laplace a przypomnienie

Zagadnienia egzaminacyjne AUTOMATYKA I ROBOTYKA. Stacjonarne I-go stopnia TYP STUDIÓW STOPIEŃ STUDIÓW SPECJALNOŚĆ

SYSTEMY ENERGETYKI ODNAWIALNEJ

PLAN STUDIÓW - STUDIA STACJONARNE I STOPNIA kierunek: automatyka i robotyka

Inżynieria Systemów Dynamicznych (4)

Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Instytut Podstaw Budowy Maszyn Zakład Mechaniki

Dynamika układów mechanicznych. dr hab. inż. Krzysztof Patan

Ćwiczenie 3 Badanie własności podstawowych liniowych członów automatyki opartych na biernych elementach elektrycznych

Transkrypt:

Wprowadzenie do technik regulacji automatycznej prof nzw. dr hab. inż. Krzysztof Patan

Czym jest AUTOMATYKA? Automatyka to dziedzina nauki i techniki zajmująca się teorią i praktycznym zastosowaniem urządzeń sterujących różnymi procesami bez udziału człowieka, lub przy jego ograniczonym udziale

Działy automatyki regulacja liniowa i nieliniowa regulacja ciągła i impulsowa regulacja jednej i wielu zmiennych regulacja analogowa i cyfrowa regulacja bez i w obecności sygnałów stochastycznych

Podstawowe pojęcia Sygnał w automatyce pod pojęciem sygnał rozumie się przebieg dowolnej wielkości fizycznej występującej w procesie regulacji Element układu automatyki układ, w którym wyróżnia się sygnał wejściowy i sygnał wyjściowy Układ automatyki konwencjonalnej układ, w którym występuje sygnał regulowany, sygnał regulujący oraz sygnały zakłócające Regulator układ, którego zadaniem jest zmienianie sygnału sterującego tak, aby sygnał błędu był jak najmniejszy System automatyki kompleksowej system złożony z grupy procesów jednostkowych podporządkowanych jednemu wspólnemu celowi, np. proces wielkopiecowy, walcownia blachy, proces kierowania oddziałami firmy transportowej

Cele regulacji automatycznej Zaprojektowanie systemów, które: utrzymują założone wymagania jakościowe minimalizują wpływ zakłóceń lub zmian w regulowanym układzie lub jego otoczeniu Podstawowe sposoby regulacji: sprzężenie zwrotne zmiana zachowania układu poprzez elementy wykonawcze

Elementy układu regulacji zakłócenia sygnał odniesienia Regulator sterowanie (wejścia) proces wyjścia sprzężenie zwrotne

Przykład: Autopilot samolotu wiatr, itp. polecenia pilota Autopilot silnik ster wysokości proces prędkość wysokość Właściwości: mniejsze obciążenie pilota poprawa komfortu pasażerów mniejsze zużycie paliwa

Elementy układu regulacji c.d. sygnał odniesienia zakłócenia Regulator elementy wykonawcze Proces (obiekt) wyjścia sensory

Zastosowania układów regulacji Układy regulacji, choć często niewidoczne, stanowią ważny element większości współczesnych systemów i procesów (od maszyny parowej po stacje kosmiczne): elektronika powszechnego użytku, np. DVD procesy przemysłowe, robotyka komputery, sieci komputerowe, systemy łączności systemy transportowe: samochody, samoloty, statki kosmiczne Ważne! Sprzężenie zwrotne jest również podstawowym mechanizmem obserwowanym u żywych organizmów

Robotyka Sterowanie manipulatorami robotycznymi Sterowanie robotami mobilnymi

Sterowanie procesami przemysłowymi Sterowanie procesów wsadowych Statystyczne sterowanie procesami przemysłowymi (SPC)

Produkcja przemysłowa masowe wytwarzanie układów półprzewodnikowych

Kontrola ruchu i transport Sterowanie ruchem pojazdów Systemy wspomagania kierowcy Autonomiczne pojazdy

Zawody Urban DARPA

Sprzężenie zwrotne często pomaga... 300 Step Response 250 a= 0.01 a=0 200 Amplitude 150 a=0.01 u 1 (s+1)(s+a) y 100 50 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Time (sec) Step Response 1.4 1.2 r 1 - e 1 u (s+1)(s+a) y Amplitude 1 0.8 0.6 a= 0.01 0.4 a=0 0.2 a=0.01 0 0 5 10 15 Time (sec)

... ale może również zaszkodzić Step Response 20 15 u 400(1-as) (s+1)(s+20)(as+1) y Amplitude 10 5 a=0 a=0.015 0 a=0.03 5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Time (sec) Step Response 2 r - e 1 u 400(1-as) (s+1)(s+20)(as+1) y Amplitude 1.5 1 0.5 a=0 0 a=0.015 a=0.03 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Time (sec)

Kluczowe składniki technik regulacji automatycznej Zrozumienie dynamiki i metod analizy złożonych systemów Zastosowanie właściwych metod projektowania regulatorów Wykorzystanie metod matematycznych oraz opisu fizycznego regulowanych procesów Podejście oparte na modelu procesu (ang. model-based approach)

Procedura projektowania regulatorów d r Regulator u Obiekt (Proces) y Synteza Model matematyczny Modelowanie

Algorytm postępowania Modelowanie procesu (na podstawie fizycznych własności lub identyfikacji) Analiza własności modelu (stabilność, odpowiedź modelu) Projektowanie regulatora tak, aby osiągnąć założone wymagania jakościowe regulacji (w dziedzinie częstotliwości lub czasu) Implementacja regulatora (przy pomocy komputera lub sterownika PLC)

Modelowanie dynamiki procesu Dla systemów ciągłych 1 Równania różniczkowe (dziedzina czasu) 2 Transmitancja (dziedzina operatorowa, transformata Laplace a) 3 Opis w przestrzeni stanów Dla systemów dyskretnych 1 Równania różnicowe (dziedzina czasu) 2 Transmitancja (dziedzina operatorowa, przekształcenie Z) 3 Opis w przestrzeni stanów Reprezentacje 2 i 3 stanowią podstawowe podejścia do analizowania i projektowania układów regulacji

Transformata Laplace a Przekształca sygnał z dziedziny czasu do dziedziny zmiennych zespolonych (dziedzina-s) L {}}{ f(t) F (s) F (s) = 0 f(t)e st dt Transformata Laplace a posiada wiele użytecznych właściwości

Własności transformaty Laplace a Różniczkowanie: f (n) (t) s n F (s) Zastąpienie równań różniczkowych b m y (m) (t)+b m 1 y (m 1) (t)+...+b 1 y 1 (t)+b 0 y(t) = a n u n (t)+a n 1 u n 1 (t)+...+a 1 u 1 (t)+a 0 u(t) liniowymi równaniami algebraicznymi (b m s m +b 1 s m 1 +...+b 1 s+b 0 ) Y (s) = (a n s n +a n 1 s n 1 +...+a 1 s+a 0 ) U(s)

Transmitancja (b m s m +b 1 s m 1 +...+b 1 s+b 0 ) Y (s) = (a n s n +a n 1 s n 1 +...+a 1 s+a 0 ) U(s) G(s) = Y (s) U(s) = b ms m +b 1 s m 1 +...+b 1 s+b 0 a n s n +a n 1 s n 1 +...+a 1 s+a 0 G(s) = B(s) A(s)... transmitancja

Transmitancja własności Transmitancja to matematyczny model układu - postać operatorowa równania różniczkowego reprezentującego relację wyjścia do wejścia układu Transmitancja jest niezależna od sygnału pobudzającego (sterującego) Transmitancja nie odwzorowuje fizycznej struktury układu (wiele układów - jedna transmitancja). Jeśli transmitancja jest znana to możemy analizować odpowiedzi układu na zadane pobudzenia (sterowania). Jeśli nie znamy transmitancji to możemy ją ekperymentalnie wyznaczyć poprzez pobudzanie układu znanymi sygnałami i analizowaniem odpowiedzi na te sygnały.

Modele układów elektrycznych c.d. Impedancje elementów elektrycznych Element Dz. czasu Tr. Laplace Impednacja Rezystor V (t) = RI(t) V (s) = RI(s) Z = R Kondensator V (t) = 1 C I(t)dt V (s) = 1 I(s) C s Z = 1 sc Cewka V (t) = L d dti(t) V (s) = LsI(s) Z = sl

Modele układów elektrycznych c.d. Wzmacniacz operacyjny Idealny wzmacniacz operacyjny R 1 =, R 0 = 0 i A = i + = i = 0 v + v = 0

Modele układów elektrycznych c.d. Układy RLC Z 1 = Transmitancja R 1 R 1 Cs + 1, Z 2 = R 2 E wy = Z 2 = R 2 R 1 Cs + 1 E we Z 1 +Z 2 R 1 +R R 2 1 R 2 R 1 +R 2 Cs+1 Jeśli R 1 C = T i R 2 R 1 +R 2 = α to E wy E we = α T s + 1 αt s + 1

Modele układów elektrycznych c.d. Układy ze wzmacniaczem operacyjnym czyli oraz V V we R 1 0 V we R 1 Transmitancja + V V wy R 2 = 0 + 0 V wy R 2 = 0 V wy = R 2V we R 1 R 2 R 1

Modele układów mechanicznych m - masa pojazdu k - współczynnik sprężystości zawieszenia B - współczynnik tłumienia Suma sił w układzie ( m d2 Y (t) dy (t) dt 2 +B du(t) ) +k(y (t) U(t)) =mg dt dt W stanie ustalonym położenie drogi U 0 = const, położenie zawieszenia Y 0 = const, brak zmian oznacza, że pochodne = 0.

Modele układów mechanicznych c.d. W stanie ustalonym k(y 0 U 0 ) = mg Przyjmujemy, że Y = Y 0 + y(t) U = U 0 + u(t) Ostatecznie, równanie dynamiki układu to m d2 y(t) dt 2 +B dy(t) +ky(t) = B du(t) + ku(t) dt dt

Modele układów mechanicznych c.d. Stosując przekształcenie Laplace a, otrzymujemy czyli transmitancja (ms 2 + Bs + k)y (s) = (Bs + k)u(s) Y (s) U(s) = Bs + k ms 2 + Bs + k

Modele układów mechanicznych c.d. Przykładowe dane m = 1000 [kg] B = 200[Ns/m] k = 20000[N/m] a = 0.05 -zmiana profilu drogi o 5 cm

Modele w przestrzeni stanów Wprowadzamy zmienną stanu x(t) (wektor) w celu parametryzacji pamięci układu Stan zawiera wszystkie informacje potrzebne do określenia przyszłego zachowania układu bez odniesienia się do pochodnych zmiennych wejściowych i wyjściowych. Wektor stanu jest często określany na podstawie fizycznych własności układów (odniesienie do energii układu) Rozmiar wektora stanu jest równoważny rzędowi układu

Modele układów liniowych w przestrzeni stanów {ẋ = Ax + Bu y = Cx + Du gdzie A kwadratowa macierz stanu o rozmiarze n n, B macierz sterowania o rozmiarze n m, C macierz wyjściowa o rozmiarze p n i D macierz przejścia o rozmiarze p m

Podsumowanie Analizujmy dostępne modele procesu/układu aby: zrozumieć zachowanie rozważanego procesu/układu określić wymagania dla regulowanego procesu/układu dokonać wyboru podstawowych wymagań podczas projektowania regulatora (np. struktura regulatora) Jesteśmy zainteresowani: stabilnością układu otwartego odpowiedzią przejściową (na skok jednostkowy lub impuls jednostkowy) odpowiedzią w stanie ustalonym (stałe lub sinusoidalne wymuszenie)