Transcript 1.osa

Automaatjuhtimissüsteemid
ISS0021 2-2-0 E 6 EAP
1.loeng - sügissemester 2014/2015
Ennu Rüstern
[email protected], TTÜ U02-316, tel. 6202104
TTÜ automaatikainstituut
Automaatjuhtimise ja süsteemianalüüsi õppetool
Automaatjuhtimissüsteemide kursus (1)

Mida õpime ?

Milleks see kõik on vajalik ja/või kasulik ?

Kuidas õpime ?
Automaatjuhtimissüsteemide kursus (2)
Automaatjuhtimise põhimõisted:

JUHTIMINE – tegevus teatava eesmärgi
saavutamiseks

JUHITAV SÜSTEEM, PPOTSESS (tavaliselt
tehismaailmaga seonduvad süsteemid ja protessid)

AUTOMAATJUHTIMINE – juhtimine (ja /või
jälgimine ) inimese vahetu osavõtuta (st arvutiga
juhtimine)
Automaatjuhtimissüsteemide kursus (3)
Automaatjuhtimise rakendamine:


SÜSTEEMIDE / PROTSESSIDE MODELLEERIMINE
– mudelid (olekumudelid, ülekandemudelid)
SÜSTEEMIDE / PROTSESSIDE JUHTIMINE ja /või
JÄLGIMINE – meetodid, algoritmid,
automaatjuhtimissüsteemid (AJS)
Süsteemid, protsessid
Sisend (mingi ressurss), tegevus (teisendus), väljund (tulemus)
Sisend
Suvalist süsteemi võib vaadelda kõige
suurema üldistustaseme puhul kastina,
millel on sisend ja väljund. Sisendsuurus
(mingi ressurss) siseneb süsteemi ja väljub
väljundi kaudu kui tulemus. Üldjuhul püüab
süsteem oma sisendsuurusi mingil moel
muuta (teisendada), st midagi teha. Sellele
põhimõttele vastab peaaegu iga süsteem,
mida me oskame ette kujutada. Paljudel
juhtudel on eesmärgiks millegi parandamine
(aga ka võimaliku halvenemise vältimine).
Ebaõnnestumise korral võib resultaat
osutuda mittesobivaks. Süsteemil, mis
midagi ei tee, pole otstarvet.
Väljund
Juhtimissüsteem
Sisend
Üldistustaset vähendades võib süsteemi
vaadelda koosnevana kahest osast:
“Protsess”
ja
“Juhtseade”.
Sellise
lähenemise
puhul
täidab
protsess
teisendamise ülesannet (n-ö teeb tööd) ja
juhtseade (controller) juhib ning korraldab
protsessi talitlust nii, et ta edukalt
(soovitud
viisil)
töötaks.
Ilma
juhtseadmeta võib iga omapead jäetud
protsess käituda mitte päris nii, nagu me
tahaksime.
Protsess
(objekt)
süsteemiväline
informatsioon, mis
kirjeldab, kuidas
süsteem/protsess
peab töötama.
Juhttoime
Väljund
-mõõdetav suurus
Informatsioon
Nende kahe ploki omavaheliste seoste
alusel võib teha järelduse, et side on
kahepoolne. Juhtseade vajab mingit
teavet
protsessi
oleku kohta,
et
otsustada, milliseid käske anda. Protsess
peab neid käske (juhttoimet) vastu võtma,
et õigesti talitleda. Mõlemas suunas
edastatakse sisuliselt informatsiooni.
Seega
tegeleb
juhtseade
samuti
teisendamisega ja omab sisendit ning
väljundit
analoogselt
suvalisele
protsessile.
Juhtseade
Dünaamilise süsteemi mudel - diferentsiaalvõrrand
n - järku üldkuju:
n
n 1
d y (t )
d y (t )
dy ( t )
an
 a n 1
   a1
 a 0 y (t ) 
n
n 1
dt
dt
dt
m
 bm
d u (t )
dt
m
 b m 1
d
m 1
dt
u (t )
m 1
   b1
du ( t )
dt
 b0 u (t )
t - sõltumatu muutuja, aeg
y(t) - väljundmuutuja
u(t) - sisendmuutuja
a0,a1, … ,an ,b0,b1, … ,bm - koefitsiendid
(m n)
lihtsamalt tähistades (ja kui an=1)
y
(n)
 a n 1 y
( n 1 )
   a1 y  a 0 y  b m u
(m )
 b m 1u
( m 1 )
   b1u  b 0 u
AJS näide
r
+
e
-
Juhtseade
Täiturseade
Reguleerivorgan
U
Protsess
Muundur
seadesuuruse
etteandmine
indikaator
xT muundur
regulaator
xN
täituriga klapp xV
Andur
xIR salvestav
Hx
xC
funktsionaalne muundur
Y
xE andur
y - mõõdetav suurus
juhitav voog u
PROTSESS
PROGRAMMEERITAV KONTROLLER
Programmable Logic Controller (PLC)
Automaatjuhtimissüsteemide kursus (4)
Automaatjuhtimissüsteemide tüüpilised esindajad:
seiresüsteemid (õhu, mere, liikluse);
turvasüsteemid;
lendude juhtimissüsteemid lennujaamades;
lennukite autopiloodid;
tehnoloogiliste masinate/ protsesside juhtimissüsteemid;
mobiiltelefonid;
südamestimulaatorid;
jälgimissüsteemid meditsiinis;
arukad hooned jne
Automaatjuhtimissüsteemide kursus (5)
Orienteeruv sisukord
1. Sissejuhatus. Automaatjuhtimise põhiprobleemid,
põhiülesanded ja automaatjuhtimissüsteemide (AJS)
ülesehitus. Süsteemiteooria põhimõisted
2. AJS matemaatiline kirjeldamine. Analüüs.
Juhtimisprotsesside kvaliteet. AJS projekteerimine
3. Modaaljuhtimine
4. Optimaaljuhtimine
5. Järgivsüsteemid
6. Häiringud automaatjuhtimissüsteemides, nende
filtreerimine ja kompenseerimine
7. Reaalsete juhtimisprobleemide analüüs ja AJS
projekteerimine – vähemalt 2 näiteülesande lahendamine
koos aruteluga
8. Adaptiivjuhtimine – isehäälestuvad süsteemid
9. Automaatjuhtimissüsteemide võimalikud arengud.
Kokkuvõte kursusest
Kuidas õppetöö toimub? Millised on
tingimused ?
Õppetöö:
1. Loengud – kokku 32 tundi, õppejõud: Ennu Rüstern
2. Praktikumid – kokku 32 tundi, õppejõud: Andres Rähni,
Eduard Petlenkov; 24 üliõpilast korraga (TTÜ
automaatikainstituut, ruumid U02-303, 304)
3. Automaatjuhtimissüsteemide eeldusaineks on - ISS0010
Süsteemiteooria
4. Õppeaine tuleb deklareerida Ennu Rüsterni nimele !!!
Rakendustarkvara:
- MATLAB / SIMULINK modelleerimiskeskkond
Kokkulepped (1) – 2014/2015 õppeaasta
sügissemestri 1.loengul
1. 2 kontrolltööd (teooria) – annavad kokku 40%
semestrihindest
2. 4 laboratoorset tööd (praktikumid) – annavad kokku 60%
semestrihindest
3. Kontrolltööd ja praktikumid peavad üldjuhul olema
sooritatud 20.detsembriks 2014 (sügissemestri kontaktõppe
perioodi lõpuks)
4. Semestrihindeid 5,4, 3 ja 2 võib üliõpilane võtta
eksamihindeks
Kokkulepped (2) – 2014/2015 õppeaasta
sügissemestri 1.loengul
5.
6.
7.
8.
Semestrihinde 1 puhul on eksam kohustuslik
Eksamieeldus – semestrihinne 1
Semestrihinnet on soovi korral võimalik parandada eksamil
Eksam on kirjalik – 2 küsimust teooriast (peast) ja 2
ülesannet (materjalide kasutamisega), aega 3 tundi
9. Eksami ebaõnnestumisel jääb kehtima semestrihinne
Õpikud ja õppematerjalid
1. Õpikuid on tegelikult väga palju – kahjuks piisavalt
mahukad ja sisaldavad palju matemaatikat
2. Õppejõud toob valikuliselt materjale loengusse ja paneb
veebi
Metoodika
– MATLAB /SIMULINK keskkonna igakülgsel kasutamisel
põhineb kursus
Õpikud (1)
1. Dutton, K., Thompson, S. and Barraclough, B. The
art of control engineering. Harlow : Addison Wesley,
1997. p. 813.
2. Ogata, K. Modern Control Engineering. 4th. Englewood
Cliffs (N.J.) : Prentice Hall, 2002. lk 961.
3. Tewari, A. Modern control design with MATLAB and
SIMULINK. New York : Wiley, 2002 (TTÜ RK eraamatuna).
4. Nise, N. S. Control systems engineering. IV. int. : Wiley,
2004. lk 985.
Õpikud (2)
5. Franklin, G. F., Powell, J. D. ja Emami-Naeini, A.
Feedback control of dynamic systems. 3rd. Reading :
Addison-Wesley, 1994. lk 778. ( V redaktsioon ilmus
2006).
6. Datta, B.N. Numerical methods for linear control
systems design and analysis. [(e-raamat)
www.knovel.com ] Amsterdam : Elsevier, 2004.
7. D'Azzo, J. J., Houpis, C. H. ja Sheldon, S. N. Linear
control system analysis and design with MATLAB. [(eraamat) www.crcnetbase.com] V Revised and
expanded, New York : Marcel Dekker, 2003. a.
Õpikud (3)
8. Aström, K. J. ja Wittenmark, B. Computer Controlled
Systems: Theory and Design. 3rd. Upper Saddle River
(N.J.) : Prentice Hall, 1997. lk 557.
9. Åström, K. J. ja Hägglund, T. Advanced PID control.
Research Triangle Park : ISA-The Instrumentation,
Systems and Automation Society, 2006. lk 460.
NB!
E-raamatute andmebaasid: www.knovel.com ja
www.crcnetbase.com .
Automaatjuhtimissüsteemide(AJS) liigitus (1)
Häiring 1
Häiring 2
Häiring 3
Sisend
Nõuded protsessi
tööle (seadesuurus)
Juhtseade
u
Juhttoime
Häiring 1
r (või w)
Veasignaal
+
e
Seadesuurus (nõuded
protsessi
tööle)
Juhtseade
Tagasiside
u
Juhttoime
y
Protsess
Väljund
(juhitav
suurus)
Häiring 2
Protsess
Häiring 3
y
Andur
Väljund
Automaatjuhtimissüsteemide(AJS) liigitus (2)
Pidevaja AJS
Süsteemi signaalid on pideva aja funktsioonid.
Näiteks e = f(t)
Diskreetaja AJS
Osades süsteemi punktides on signaalid esitatud impulsside
jadana või digitaalkoodina
r (või w) +
e
-
Juhtseade
D/A
u(t)
Protsess
y(t)
A/D
Automaatjuhtimisüsteemid
Juhtimine (või reguleerimine) – juhitakse veasignaali alusel
(juhtimissüsteem, reguleerimissüsteem).
Stabiliseerimine - seadesuurus konstantne
(stabiliseerimissüsteemid).
Järgimine - juhtimine väliselt muudetava seadesuurusega
(järgivsüsteemid, servosüsteemid).
Programmjuhtimine - juhtimine varem koostatud eeskirja
(programmi) järgi
__________________________________________________________
Meetodid:
Modaaljuhtimine, optimaaljuhtimine, adaptiivjuhtimine, hägusjuhtimine,
närvivõrkudega juhtimine,…
Süsteemid / Protsessid (mudelid)
Lineaarsed / mittelineaarsed
mudelid / reaalsed süsteemid
Valdavalt lineaarsed süsteemid - signaalide suuruste teatud
piirides omavad süsteemi osad lineaarseid karakteristikuid.
Lineaarsete süsteemide jaoks eksisteerib palju sobivaid
analüüsi ja sünteesi meetodeid.
Mittelineaarsused: küllastus, lõtk, tundetuse tsoon, hõõrdejõu
ületamine, vedru, “sisse/välja” jne.
Statsionaarsed / mittestatsionaarsed
Statsionaarse süsteemi parameetrid püsivad muutumatutena
süsteemi töötamise ajal. Reaalsed süsteemid sisaldavad
elemente, mille parameetrid aja jooksul muutuvad
( kuumenemine, kulumine jms.)
Süsteemid / Protsessid (mudelid)
3. Determineeritud / stohhastilised
Süsteemi parameetrite vahelised seosed on üheselt
määratud / seosed on juhuslikud, statistilised.
4. Koondatud- / hajusparameetritega
Koondatud parameetritega süsteem on esitatav lõpliku njärku diferentsiaalvõrrandiga või diferentsiaalvõrrandite
süsteemiga.
Pidevate protsesside mudelid
Protsess
Sisend
u(t)
Olek x(t)
Väljund
y(t)
dy ( t ) du ( t ) 

F  y, x, u ,
,
,...   0
dt
dt


Dünaamilised karakteristikud
Mudel peab olema sobivalt
täpne piirkonnas, mis meid
huvitab ja küllaltki lihtne
arvutamiseks!
dy ( t )
dt

du ( t )
0

dt
Staatilised karakteristikud
Kirjeldamisel on abiks jäävuse seadused (bilanss)
mass:
m = ms - mv
jõud:
F = 0
elektrivool:
I = 0
jm.
AJS kvaliteedinäitajad - nõuded siirdeprotsessile
X(t)
Ülereguleerimine
1
δ
1+
1-
0.90
 = 5% seadesuurusest
Seadesuurus
est
Staatiline
viga
Reguleerimise
aeg
0.1
0
trise
t
t 
ts
AJS siirdekarakteristik – reaktsioon ühikhüppelisele seadesuurusele
Süsteemide / Protsesside dünaamika
2. järku prototüüp süsteem /protsess
2
T
2
d y (t )
dt
2
 2T 
dy ( t )
staatiline ülekandetegur K = 1
sumbuvus 
omavõnke(resonants-)sagedus n
T=1/n
 y (t )  u (t )
dt
lahend (y0=0, u(t)=1)  siirdekarakteristik g(t):
1    n t
y (t )  1  e
sin(  n   t   ), kus  
1

n= 1
 = 0.2
0.4
1
 /
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
% 
0.2
1.5
4.6
9.5
16.3
25.4
37.2
maksim.  aeg t max 
0.7
=1
ligikaudne reg.aeg t s 
=2
0.4
0.2
0
0
5
10
15
20
Time (second)
25
30
1 
0.9
0.8
0.6
  

1.2
1
ja   tan
ülereguleerimine   100  e
1.6
1.4
2
35
2

n 1
3
  n
2
0  1