116/09/1230/05/12

11

ΣΧΟΛΗ Η.Μ.Μ.ΥΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ

Δ/ντης: Καθηγητής Μιχάλης ΖερβάκηςΔιδάσκοντας: Δρ. Ν. Λυμπέρης - Μπεκιάρης

Ε.ΔΙ.Π. Μανόλης ΝτουντουνάκηςΥπ. Διδακτ. Ιφιγένεια Πολογιώργη

211/02/15 2

ΘΕΩΡΙΑ & ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ

(Εργαστήριο)

316/09/1230/05/12

33

Εξοπλισμός

11 εργαστηριακοί πάγκοι εργασίας, πλήρως συνδεμένοι με συγχρόνους Η/Υ, με εξοπλισμό (process control) της Leybold Didactic Gmbh

12 PLC της σειράς 1200 Siemens 11 Μοντέρνοι σταθμοί, Cassy Interfaces, δημιουργίας – καταγραφής

αναλογικών – ψηφιακών δεδομένων σε κάθε πάγκο εργασίας, τελευταίας τεχνολογίας (2007 -) της Leybold Didactic Gmbh με σύνδεση usb με Η/Υ

Χρήση, σε όλους τους πάγκους εργασίας, μοντέρνων λογισμικών (2010-) CassyLab2, για πλήρη αυτοματοποιημένη καταγραφή – επεξεργασία –εποπτική παρουσίαση πειραματικών αποτελεσμάτων

416/09/1230/05/12

44

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ

Ο Έλεγχος και η αποτύπωση των αποτελεσμάτων γίνεται με χρήση Η/Υ

Όλες οι ασκήσεις συνδυάζουν χρήση πραγματικών συστημάτων με χρήση Η/Υ

Οι ασκήσεις έχουν διάρκεια δυο (2) ώρες Οι ασκήσεις πραγματοποιούνται σε ομάδες των τεσσάρων ατόμων. Οι φοιτητές πραγματοποιούν μια άσκηση κάθε εβδομάδα. Στο τέλος του εξαμήνου γίνεται εξέταση του εργαστηρίου. Η εξέταση είναι ατομική και υποχρεωτική. Όλες οι εργαστηριακές ασκήσεις καλύπτονται σε ικανοποιητικό

βαθμό από σημειώσεις του εργαστηρίου. Στο εργαστήριο εγγράφονται περίπου 180 φοιτητές κάθε εξάμηνο

και έχουμε ποσοστό επιτυχίας περίπου 80%.

5

ΤΡΟΠΟΣ ΒΑΘΜΟΛΟΓΗΣΗΣ

• Κάθε εργαστηριακή άσκηση αποτελείται από πειραματικό μέρος, μέρος επεξεργασίας – σχολιασμού των μετρήσεων, και μέρος αξιολόγησης.

• Η συμμετοχή του πειραματικού μέρους είναι 60% στη συνολική βαθμολογία της άσκησης.

• Η συμμετοχή του μέρους επεξεργασίας των μετρήσεων είναι 25% στη συνολική βαθμολογία της άσκησης.

• Η συμμετοχή του μέρους αξιολόγησης είναι 15% στη συνολική βαθμολογία της άσκησης.

• Οι εργαστηριακές αναφορές (πειραματικό μέρος, μέρος επεξεργασίας των μετρήσεων και μέρος αξιολόγησης) παραδίδονται , ηλεκτρονικά, μέχρι την επόμενη φορά που οι φοιτητές προσέρχονται στο εργαστήριο.

• Στο τέλος του εξαμήνου γίνεται εξέταση του εργαστηρίου. Η εξέταση είναι ατομική και υποχρεωτική. Η συμμετοχή της εξέτασης στο τελικό βαθμό του εργαστηρίου είναι 40%.

6

ΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΘΕΩΡΙΑ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

• Χαλαρή Σχέση θεωρίας – εργαστήριου• Το εργαστήριο καλύπτει, στενά, ένα μικρό μέρος

ενός κεφαλαίου της θεωρίας του μαθήματος και μάλιστα με άλλο τρόπο (εμπειρικό)

716/09/1230/05/12

77

Θεωρία και Εφαρμογές Αυτομάτου Ελέγχου (Θ.Ε.Α.Ε.)

• Εισαγωγική Παρουσίαση θεωρίας (σε αίθουσα)• 1η άσκηση: Εμπειρικές μέθοδοι σχεδίασης  βιομηχανικών ελεγκτών τριών όρων,

PID, με έμφαση στις μεθόδους ZN και CHR, γραμμικών συστημάτων (ZN- CHR).• 2η άσκηση: Σχεδίαση και έλεγχος συστημάτων σέρβο (Έλεγχος γωνιακής θέσης

κινητήρα συνεχούς ρεύματος, DC Servo). DC Servo with tachogenerator (DC Servo)

• 3η άσκηση: Έλεγχος της τάσης εξόδου μιας DC γεννήτριας.  Έλεγχος της ταχύτητας (στροφών) ενός DC κινητήρα. (Motor – Generator)

• 4η άσκηση:  Αναλογικός & Ψηφιακός Έλεγχος θερμικών συστημάτων. (Temperature controlled system)

• 5η άσκηση:  Διάγνωση Λάθους. (Fault Monitoring) • 6η άσκηση: Έλεγχος φωτεινότητας (Brightness Control) • 7η άσκηση:  Εξοικείωση με Touch Panel • Οι ασκήσεις 2,3,4 και 5 εκτελούνται κυκλικά (ρολόι).• Οι ασκήσεις 6 και 7 δεν εκτελούνται, προσωρινά, λόγω έλλειψης προσωπικού.

816/09/1230/05/12

8

MEASUREMENT & CONTROL TECHNOLOGYTechnical DetailsCASSY-Interfaces and CASSY Lab 2The CASSY family consists of various hardware componentsand the dedicated software package CASSY Lab 2.

CASSY Lab 2CASSY Lab 2 is a modern 32-bit software, applicable for Windows XP/Vista/7 with the followingfeatures:

Data recordingMultimeterOscilloscopeXY-plotterFFT-analysisVariety of evaluation aidsExport of measurement data and diagrams.

LD Didactic Page 8 of 94 T8 T 8.2

99

Σύστημα Ελέγχου Διεργασίας

R(s) + C(s) - A(s) B(s)

Σκοπός ενός συστήματος αυτόματου ελέγχου διεργασίας είναι να διατηρεί σταθερή την έξοδό του σε επίδραση διαταραχών (απορρίπτει τις διαταραχές που οφείλονται σε μεταβολές του φορτίου κλπ.)

Η συνολική συνάρτηση μεταφοράς με αρνητική ανάδραση είναι:

G(s)

D(s)

)()(1)(

)()(

sDsGsG

sRsC

1010

set pointR(s)

E(s)D(s) G(s) C(s)

Ο ελεγκτής ενεργοποιείται σύμφωνα με την ύπαρξη ή όχι σφάλματος: σφάλμα(e)= set point R(s) – B(s) μεταβλητή διεργασίας.

Συνάρτηση μεταφοράς κλειστού βρόγχου:

C sR s

G sD sG sD s

( )( )

( ) ( )( ) ( )

1

B(s)

+

-

1111

Διαδικασία σχεδίασηςΜια προτεινόμενη μέθοδος σχεδίασης δίνεται ως ακολούθως: Προδιαγραφές καλής απόδοσης Εννοιολογικός σχεδιασμός Μαθηματική μοντελοποίηση Εγκυρότητα μοντέλου και αναγνώριση μοντέλων Ανάλυση του μαθηματικού μοντέλου Τροποποίηση και επαναλήψεις Κατασκευή και έλεγχος

1211/02/15 12

PID ελεγκτής (73406)

13

Digital PID ελεγκτής (734064)

734 061 PID Controller is also possible

14

Επιλογή είδους ελεγκτή

15

16

Μέθοδος Zeigler-Nichols

Οι παράμετροι των όρων ολοκλήρωσης και διαφόρισης τοποθετούνται στη χαμηλότερη δυνατή τιμή (δηλαδή τα Τi , Τd ⁼0) και τo κέρδος Kc αυξάνεται σταδιακά μέχρι να παρατηρηθεί ταλάντωση σταθερού εύρους στην έξοδο. Το κέρδος σε αυτή τη περίπτωση αντιστοιχεί στο Κκρ. ενώ η περίοδος είναι Το και στη συνέχεια από τις παρακάτω εξισώσεις υπολογίζονται οι παράμετροι του ελεγκτή PID.

PID: Kp = 0.6Kκρ. Ki = 2Kp/To Kd≥ 0.125KpTo

Κc = 0.6Kκρ. Τi = 0.5To=To/2 Td = 0.125To=To/8

PI: Kp = 0.45Kκρ. Ki ≤ 1.2Kp/To

Κc = 0.45Kκρ Ti = 0.83To=To/1.2

P: Kp = 0.5Kκρ.

1711/02/15 17

ZN1. Καταγράφουμε τη βηματικη απόκριση του κλειστού

συστήματος με μοναδιαία ανάδραση χωρίς δράση ελεγκτή (Kp=1, I off, D off)

2. Αυξάνουμε σταδιακά το κέρδος του P ελεγκτή (I off, D off) μέχρι να έχουμε μόνιμες ταλαντώσεις και υπολογίζω τις παραμέτρους Κp,crit, Tcrit.

3. Επιλέγουμε το είδος του κατάλληλου ελεγκτή με βάση τις προδιαγραφές (P, PI, PD, PID)

4. Από πίνακες υπολογίζουμε τις ρυθμίσεις του κατάλληλου ελεγκτή.

5. Καταγράφουμε τη βηματικη απόκριση του κλειστού συστήματος με τον κατάλληλο ελεγκτή ρυθμισμένο. Συγκρίνουμε με 1.

6. Fine-tuning.

18

Διαδικασία υπολογισμού παραμέτρων ZN (1)

19

Διαδικασία υπολογισμού παραμέτρων ZN (2)

20

Πινάκας υπολογισμού παραμέτρων ελεγκτή

21

CHRO υπολογισμός του μοντέλου της αγνώστου διεργασίας μπορεί να υπολογιστεί όταν είναι γνωστή η μεταβατική χρονική απόκριση της μεταβλητής εξόδου C(s) σε βηματική μεταβολή της εισόδου R(s) (ΑΝΟΙΚΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ).

22

CHR (1)• Καταγράφουμε τη βηματικη απόκριση του ανοικτού συστήματος

χωρίς δράση ελεγκτή και υπολογίζουμε τις παραμέτρους K, Tu, Tg.

• Επιλέγουμε το είδος του κατάλληλου ελεγκτή με βάση τις προδιαγραφές (P, PI, PD, PID)

• Επιλέγουμε, με βάση τις προδιαγραφές, το επιθυμητό ποσοστό υπερύψωσης (0%, 20%) και το στόχο του έλεγχου (set point response, disturbance).

• Από πίνακες υπολογίζουμε τις ρυθμίσεις του κατάλληλου ελεγκτή.• Καταγράφουμε τη βηματικη απόκριση του κλειστού συστήματος με

τον κατάλληλο ελεγκτή ρυθμισμένο.• Fine-tuning.

23

Παράμετροι ελεγκτή με τη μέθοδο CHR για load disturbance response

u

g

TT

K3.0

u

g

TT

K6.0

u

g

TT

K95.0

u

g

TT

K7.0

u

g

TT

K6.0

u

g

TT

K2.1

24

Παράμετροι ελεγκτή με τη μέθοδο CHR για setpoint response

u

g

TT

K6.0

u

g

TT

K7.0

u

g

TT

K3.0

u

g

TT

K35.0

u

g

TT

K6.0

25

Απλοποιημένο Δευτεροβάθμιο Σύστημα

26

27

Ενισχυτής Ισχύος(Power Amplifier)

28

DC Servo (Ι)

ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ• Έλεγχος της γωνιακής

θέσης με χρήση ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος

• Επίδραση στην απόκριση ενός συστήματος ελέγχου θέσεως της χρήσης δύο κλάδων ανατροφοδότησης, της θέσης και της ταχύτητας, με χρήση μιας ταχογενήτριας.

29

DC Servo (ΙΙ)Έλεγχος της γωνιακής θέσης με χρήση ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματοςΥπολογισμός συχνότητας αποκοπήςΕπίδραση στην απόκριση ενός συστήματος ελέγχου θέσεως της χρήσης δύο κλάδων ανατροφοδότησης, της θέσης και της ταχύτητας, με χρήση μιας ταχογενήτριας.

30

DC εντολέςφ= φ(θ)

Έλεγχος της γωνιακής θέσης με χρήση ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος

31

Υπολογισμός συχνότητας αποκοπής

Τα συστήματα Servo ανταποκρίνονται και σε ac εντολές (μέχρι μια ορισμένη συχνότητα). Έτσι μπορούν να θεωρηθούν ως ένα κατωδιαβατο φίλτρο που έχει νόημα ο υπολογισμός της συχνότητας αποκοπής.

Υπολογισμός συχνότητας αποκοπής

Δφ=45 μοίρες ή V2= 0.707 V1

32

Dc Servo with Tachogenerator (I)

33

Dc Servo with Tachogenerator (II)

Επίδραση στην απόκριση ενός συστήματος ελέγχου θέσεως της χρήσης δύο κλάδων ανατροφοδότησης, της θέσης και της ταχύτητας, με χρήση μιας ταχογενήτριας

3411/02/15 34

Motor – Generator

Έλεγχος της τάσης εξόδου μιας DC γεννήτριας.

Έλεγχος της ταχύτητας (στροφών) ενός DC κινητήρα.

35

Έλεγχος της τάσης εξόδου μιας DC γεννήτριας (1).

36

Έλεγχος της τάσης εξόδου μιας DC γεννήτριας (2).

37

Έλεγχος της ταχύτητας (στροφών) ενός DC κινητήρα

(1).

38

Έλεγχος της ταχύτητας (στροφών) ενός DC κινητήρα

(2).

3911/02/15 39

Temperature controlled system Επιλογή σημείου

λειτουργίας συστήματος Μελέτη συστημάτων

ΓΧΑ με πολύ μεγάλες χρονικές σταθερές

Εισαγωγή στο ψηφιακό έλεγχο (digital PID)

40

Σύστημα θερμοκρασίαςTemperature Controlled

System

• ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

• Σύστημα με μεγάλη χρονική σταθερά

• Μηχανικό ανάλογο (ΤΕΙ – ΜΠΔ)

• Αρχικοποίηση – «Κρύωμα»

41

Αναλογικός Έλεγχος με PID ελεγκτή

42

Ελεγκτής Δυο θέσεων (Two position Controller)

43

Ψηφιακός έλεγχος (on-off)

44

Fault Monitoring

Εισαγωγή σε fault monitoring

4511/02/15 45

Fault Monitoring (1)

Εισαγωγή σε fault monitoring – pattern recognition

Δεδομένο - γνωστό σύστημα ((

(Ks, Tu, Tg) Γνωστές τις

παραμέτρους του PID Ελεγκτή

46

Fault Monitoring (2)

• Real – time αλγόριθμος ανίχνευσης – εντοπισμού λάθους• Δυνατότητα ενεργοποίησης είκοσι (20) πιθανά λάθη (ένα

κάθε φορά)• Καταγραφή δεκατριών (13) μετρήσεων στο ορθό (χωρίς

λάθη) σύστημα• Χρήση online αλγορίθμου για τον εντοπισμό – ανίχνευση

του λάθους, μόλις συμβεί.• Σύγκριση κάθε μέτρησης του συστήματος με την

αποθηκευμένη μέτρηση του ορθού συστήματος και απόφαση αν η μέτρηση είναι ορθή η λάθος.

47

Διάγραμμα ροής για τον εντοπισμό λάθους

48

Brightness Control

ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

Μελέτη συστημάτων ΓΧΑ με πολύ μικρές χρονικές σταθερές

49

SCADA