Upload
others
View
7
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
TSIU61: ReglerteknikForelasning 1— Kursinformation— Bakgrund
Gustaf Hendeby
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 1 / 34
Vad ar reglerteknik?
”Reglerteknik ar konstenatt fa saker att uppfora sig
som man vill”
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 2 / 34
Exempel pa reglerproblem
Industrirobot
En robotarm ar relativt vek, och oscillerar kraftigt efter forflyttningar.For att uppna den snabbhet och precision som behovs kravsreglerteknik.
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 3 / 34
Exempel pa reglerproblem
Fartreglering, undvik kollision
Avstand/hastighetUndvika kollision
Dosering av insulin
Tillflode av insulin, matningar avblodsockernivan
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 4 / 34
Exempel pa reglerproblem
Moderna stridsflygplan
� Ibland medvetet designade sa att de inte gar att flygamanuellt (for att fa battre prestanda och flygegenskaper).
� Kraver ett reglersystem
� Om reglersystemet har designfel kan det ga illa och det arprecis detta som var orsaken till krascherna ’89 och ’93.
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 5 / 34
Exempel pa reglerproblem
Segway
Ett mycket bra exempel pa en product dar hela iden bygger pa attman har en regulator.
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 6 / 34
Exempel pa reglerproblem
HarddiskarLasarmen maste placeras pa exaktratt plats sa snabbt som mojligt
⇒ positionsreglering,
samtidigt som skivan roterar medratt hastighet
⇒ varvtalsreglering,
Utan reglering svanger armen vidforflyttningar och man mastevanta lange tills armen ar stillainnan man kan kan lasa data.
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 7 / 34
Exempel pa reglerproblem
Automiserad nakrosEtt reglersystem ersatter/hjalpernarkosskoterskan (fortfarande iforskningsstadie)Systemet reglerar medvetandegraden.
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 8 / 34
Exempel pa reglerproblem
Moderna bilar
De flesta forkortningarna i forsaljningsbrochyren doljer ettreglersystem!
ABS Anti-lock Braking System, regleringav bromstryck
ESC Electronic Stability Control, regleringav girstabilitet
ACE Active Cornering Enhancement,reglering av stotdampare i kurvor
TCS Traction Control System, regleringav vagfaste
ACC Automatic Cruise Control, regleringav fart/avstand
ANC Active Noise Control, reglering avljud
. . .
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 9 / 34
Exempel pa reglerproblem
Extremt stora teleskopVi har natt gransen for hur stora speglarna kangoras.Stora teleskop byggs med massvis av smaspeglar som sedan kontinuerligt styrs sa attbilden blir skarp (kallas adaptiv optik).
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 10 / 34
Exempel pa reglerproblem
Mobiltelefoni
Reglerteknik anvands for att reglera signalstyrkan i kommunikationenmellan mobiltelefon och basstation.
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 11 / 34
Innehall forelasning 1
1. Inledning
2. Administrativt om kursen
3. Vad ar reglerteknik?
4. Matematiska modeller med differentialekvationer
5. Enkaste aterkopplingen: P-regulator
Om kursen
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 13 / 34
Kursens syfte
� Visa principerna i de vanligaste reglersystemen
� Lara ut
� konstruktion och� utvardering
av regulatorer for lineara system med en insignal och enutsignal.
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 14 / 34
Metoder
Konstruktion och utvardering innebar att vi behover en kvantitativmatematisk beskrivning (modell) av processen.For detta kommer vi anvanda:
� Differentialekvationer
� Laplacetransformer
Ovrig matematik som kommer att anvandas:
� Komplexa tal
� Linear algebra (matrisrakning)
� Egenvarden
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 15 / 34
Praktiskt om kursen
� Examinator och forelasare: Gustaf Hendeby
� 12 forelasningar (teori, exempel)
� 15 lektioner (varav 2 i datorsal) (rakna och diskutera, fraga)
� 2 laborationer (lab-PM finns pa hemsidan)
1. Modellering (laboteket), lek och lar2. Reglerdesign mha PID (laboteket), lek och lar
Nya labbar, ersatter tidigare vattentankar.
� Anmalningar till laborationen gors via natet, se lank pakurshemsidan.
Tips:
Borja i god tid med forberedelseuppgifterna!
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 16 / 34
Mer praktiskt om kursen
� All kursinformation inkl. forelasningsmaterial finns pa kursenshemsida
� Reglertekniks hemsida:http://www.control.liu.se
⇒ Courses⇒ EL-, KA- och MI-programmen⇒ Reglerteknik
� Eller direkt:http://www.control.isy.liu.se/student/tsiu61/
� Tenta: Bok med normala anteckningar ar tillatet hjalpmedel
� Stall fragor!
Reglerteknik
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 18 / 34
Reglerteknik
� Forbattrar existerande tekniska system
� Centralt omrade for manga av Sveriges teknikforetag
� Tacksamt omrade med manga roliga tillampningar!
� Mycket intressant matematik
Hidden Science
Sammanfattningsvis kan sagas att reglerteknik finns nastan overallt,men ar ofta dold (”the hidden science”).
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 19 / 34
Reglerproblemet — abstraktion
Vad ar gemensamt for samtliga problem?
Reglerproblemet
� Valj styrsignalen u automatiskt
� sa att matsignalen y fran systemet S
� uppfor sig som vi vill
� trots storningar v.
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 20 / 34
Strategier for att losa reglerproblemet (1/3)
1. Oppen styrning
Problem med oppen styrning:
� Forutsatter fullstandig kunskap om systemets funktion
� Tar inte hansyn till storningar
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 21 / 34
Strategier for att losa reglerproblemet (2/3)
2. Framkoppling fran storsignal
Problem med framkoppling:
� Forutsatter fullstandig kunskap om systemets funktion, speciellthur storningarna fungerar.
� Det finns fler, icke matbara storningar, som paverkar y.
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 22 / 34
Strategier for att losa reglerproblemet (3/3)3. Aterkoppling:
Fordelar med aterkoppling:
� Behover INTE exakt kunskap om systemet
� Tar hansyn till storningar pa utsignalen (aven icke matbara)
� Instabila system kan stabiliseras
Nackdel med aterkoppling:
� Kan leda till instabilitet
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 23 / 34
Ett exempel (1/2)
Reglermal:
Stabilisera bilens kursvinkelhastighet (eng: yaw rate control)
Standardmanover, dubbelt filbyte i 100 km/h. Regulatorn paverkar framhjulens
vinkel (aktiv styrning).
Utan regulator Med regulator
Filmerna med tillstand fran ZF Lenksysteme
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 23 / 34
Ett exempel (1/2)
Reglermal:
Stabilisera bilens kursvinkelhastighet (eng: yaw rate control)
Standardmanover, dubbelt filbyte i 100 km/h. Regulatorn paverkar framhjulens
vinkel (aktiv styrning).
Utan regulator Med regulator
Filmerna med tillstand fran ZF Lenksysteme
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 23 / 34
Ett exempel (1/2)
Reglermal:
Stabilisera bilens kursvinkelhastighet (eng: yaw rate control)
Standardmanover, dubbelt filbyte i 100 km/h. Regulatorn paverkar framhjulens
vinkel (aktiv styrning).
Utan regulator Med regulator
Filmerna med tillstand fran ZF Lenksysteme
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 24 / 34
Ett exempel (2/2)
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 25 / 34
Design av farthallare
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 25 / 34
Design av farthallare
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 25 / 34
Design av farthallare
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 25 / 34
Design av farthallare
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 25 / 34
Design av farthallare
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 26 / 34
Design av farthallare
u(t) Drivande/bromsande kraft genererad av motor ochbroms [N]
y(t) Bilens hastighet [m/s]
φ Vagbanans lutning [rad]
m Bilens vikt [kg]
α Luftmotstandskoefficient [Ns/m], luftmotstand = αy(t)[N]
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 27 / 34
Design av farthallare
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 27 / 34
Design av farthallare
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 27 / 34
Design av farthallare
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 28 / 34
Vad ar en regulator — egentligen?
Regulatorn ar en dator i bilen, som mater hastighet och onskad fart,och skickar styrsignaler (onskat moment) till motorn
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 29 / 34
Narkosreglering
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 30 / 34
Sveriges ekonomi
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 31 / 34
Vilka ar svarigheterna med reglerteknik?
� Det finns storningar pa systemet, sasom t ex andringar itemperatur, floden, backlutning, vind, som vi inte har kontrollover.
� Systemet ar aldrig helt kant. Kemiska och biologiska forlopp arkomplicerade.
� Stabilitet
� Prestandakrav
Sammanfattning
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 33 / 34
Sammanfattning
Sammanfattning av dagens forelasning
� Reglerteknik finns nastan overallt
� Vi anvander differentialekvationer for att skapa modeller oversystem
� Oppen styrning valdigt kansligt for modellparametrar ochstorningar
� Aterkoppling kan reducera kansligheten markant
� Aterkoppling u(t) = K(r(t)− y(t)
)kallas P-reglering
� Vi har fortfarande inte perfekt reglering, battre regulator designkravs!
TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 34 / 34
Nagra begrepp som far summera forelasning 1
Reglerteknik: ”Konsten att fa system att uppfora sig som vi vill”.
Signaler: Funktioner av tiden som innehaller information.
System: Ett objekt som drivs av insignaler och som respons padessa producerar utsignaler.
Aterkoppling: For tillbaka information om det som hant.Reglerteknik ar laran om aterkopplade system.
P-reglering: Enklaste regulatorn, dar styrsignalen ar enproportionell forstarkning av reglerfelet.