Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο

Transcript

1 Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο Δρ. Γεώργιος Παπαλάμπρου Λέκτορας ΕΜΠ Εργαστήριο Ναυτικής Μηχανολογίας ΕΜΠ/ΣΝΜΜ Εργαστήριο Ναυτικής Μηχανολογίας

2 Περιεχόμενα Οργάνωση του μαθήματος Ιστoσελίδα του μαθήματος Σημειώσεις Βαθμολόγηση Εισαγωγή-αντικείμενο του μαθήματος Εφαρμογές-παραδείγματα MATLAB/Simulink

3 Οργάνωση

4 Οργάνωση Μαθήματος Το μάθημα οργανώνεται μέσω της ιστοσελίδας: 1/prospheromena-mathemata/eisagoge-stonautomato-elegkho Εκεί υπάρχουν: παραδόσεις ως slides και/ή κείμενο [file] ασκήσεις εργασίες για το σπίτι παλαιότερα θέματα εξετάσεων [file] κώδικες MATLAB/Simulink

5 Οργάνωση Μαθήματος Δίνεται έμφαση στην συνεργασία Διδάσκονταφοιτητών Βασική επικοινωνία μέσω

6 Ιστοσελίδα Μαθήματος Αρχική Ιστοσελίδα ΕΝΜ: Πλοήγηση: Academic Info Προσφερόμενα Μαθήματα Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο

7 Ιστοσελίδα Μαθήματος (συνεχ.) Πλοήγηση: Academic Info Προσφερόμενα Μαθήματα Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο

8 Ιστοσελίδα Μαθήματος (συνεχ.) pdf παραδόσεων

9 Ιστοσελίδα Μαθήματος (συνεχ.) pdf ασκήσεων

10 Σημειώσεις Το υλικό του μαθήματος αποτελείται από: τις σημειώσεις του Διδάσκοντα, σε μορφή pdf (από την ιστοσελίδα) το βιβλίο του Ν. Κρικέλη (διανέμεται μέσω του «ΕΥΔΟΞΟΣ») επιλεγμένη βιβλιογραφία

11 Τελικός Βαθμός Μαθήματος Ο τελικός βαθμός προκύπτει: Από το τελικό διαγώνισμα (90%) 2 σειρές ασκήσεων (homework), υποχρεωτικές (10%) Εργαστηριακή άσκηση, προαιρετικά (επιπλέον 10%) Παρατηρήσεις 1: Οι ασκήσεις και η εργαστ. άσκηση προυποθέτουν χρήση MATLAB/Simulink 2: Κάθε χρόνο οι ασκήσεις και το θέμα αλλάζουν

12 Εισαγωγή

13 Τι είναι «Έλεγχος (control)»? Έλεγχος είναι χρήση διαφόρων διατάξεων που οδηγούν ή ρυθμίζουν τη συμπεριφορά άλλων διατάξεων ή συστημάτων.

14 Τι είναι «Ανατροφοδότηση (feedback)? Ανατροφοδότηση είναι διεργασία δύο (ή περισσοτέρων) δυναμικών συστημάτων που είναι συνδεδεμένα ώστε το κάθε ένα επηρεάζει δραστικά τα άλλα. Κλειστός Βρόχος (με ανατροφοδότηση) Ανοιχτός Βρόχος (χωρίς ανατροφοδότηση)

15 Μία Πλήρης Διάταξη Ελέγχου Σύστημα Ελεγκτής Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray

16 Βασική Διάταξη Ελέγχου: Κλειστός Βρόχος Στόχοι: Ευστάθεια (stability), Επιδόσεις (performance), Ευρωστία (robustness) Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray

17 Οι Διαφορετικές Θεωρίες Ελέγχου στην Ναυπηγική Από: Lecture Notes TTK 4190, Guidance and Control, NTNU, Trondheim, NO, 2006

18 Τύποι Ελέγχου Παθητικός Έλεγχος Τροποποίηση κατασκευής για αλλαγή δυναμικής του συστήματος Δεν είναι πάντα εφικτή η εφαρμογή, φθηνή λύση Έλεγχος Ανοιχτού Βρόχου Έχοντας γνώση της δυναμικής του συστήματος, υπολογίζουμε κατάλληλη είσοδο ελέγχου Απαιτεί πολύ ακριβές μοντέλο του συστήματος για να λειτουργεί σωστά Έλεγχος Κλειστού Βρόχου Χρήση αισθητήρων (sensors) και επενεργητών (actuators) συνδεμένα στον Η/Υ, ο οποίος τροποποιεί την δυναμική Αντιμετωπίζει με επιτυχία την αβεβαιότητα (uncertainty) και τον θόρυβο Παθητικός Έλεγχος Έλεγχος Ανοιχτού Βρόχου Έλεγχος Κλειστού Βρόχου Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray

19 Τύποι Ελέγχου Έλεγχος Ανοιχτού Βρόχου (χωρίς ανατροφοδότηση) Έλεγχος Κλειστού Βρόχου (με ανατροφοδότηση) Από: Modern control systems, R.Dorf,R. Bishop, Prentice Hall, 2001

20 Ένας Διαφορετικός Ελεγκτής: Fuzzy Logic Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray

21 Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray

22 Ανάστροφο Εκκρεμές (inverted pendulum)- Εργαστηριακή Άσκηση

23 Ανάστροφο Εκκρεμές ΕΝΜ

24 Ανάστροφο Εκκρεμές -Video 1

25 Ανάστροφο Εκκρεμές - Video 2

26 Ανάστροφο Εκκρεμές ENM - Video 3

27 Ενότητες Μαθήματος Μέρος 1 ο : Εισαγωγή, Μετασχηματισμός Laplace, Επίλυση ΔΕ,Γραμμικοποίηση, Ανάλυση συστημάτων,ευστάθεια, Γραμμικά συστήματα. Μέρος 2 ο : Χώρος κατάστασης, Ανατροφοδότηση καταστάσεων, Ελεγκτές με τοποθέτηση πόλων, Βέλτιστος έλεγχος, Παρατηρητές. Μέρος 3 ο : Απόκριση συχνότητας, Διαγράμματα Bode, Ελεγκτές: Internal Model Control (IMC), Loop Shaping, Υλοποίηση συστημάτων ελέγχου.

28 Βιβλιογραφία Μαθήματος 1. Παπαλάμπρου, Γ., Σημειώσεις, ιστοσελίδα μαθήματος, 2013 (pdf). 2. Κρικέλης, Ν., Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο, Συμμετρία, 2000 (μέσω του «Εύδοξος»). 3. Franklin, Powell, E-Neini, Feedback Control of Dynamic Systems, Addison, Dorf, R., Bishop, R., Modern Control Systems, Prentice Hall, Ogata, K., Modern Control Engineering, Prentice Hall, 2001.

29 Εφαρμογές

30 Ιστορική Αναδρομή Συστημάτων Ελέγχου Μοντέρνος Έλεγχος Πεδίο χρόνου, Χώρος Κατάστασης (1950-σήμερα) Aleksandr Lyapunov ( ) Stability of systems, equilibria, nonlinear control Lev Pontryagin ( ) Optimal control Richard Bellman ( ) Dynamic programming, optimal control Rudolf Kalman (1930-) State space, Kalman Filter Petar Kokotovic (1936-) Stability, nonlinear control Κλασσικός Έλεγχος Πεδίο συχνότητας, Διαγράμματα Bode, Nyquist ( ) Hendrick Bode ( ) Frequency response Harry Nyquist ( ) Frequency response, negative feedback

31 Οι Πρώτες Εφαρμογές Ελέγχου Ρυθμιστής στροφών του Watt (1788) Φυγοκεντρικός ρυθμιστής στροφών ατμομηχανής Μειώνει τις επιδράσεις από τις διακυμάνσεις του φορτίου (απόρριψη διαταραχών)

32 Οι Πρώτες Εφαρμογές Ελέγχου Feedback Amplifiers (1920s) Δημιουργήθηκε το μαθηματικό υπόβαθρο για τον «κλασσικό έλεγχο» (διαγράμματα απόκρισης συχνότητας) Χρήση ανάδρασης (feedback) για την μείωση αβεβαιότητας (uncertainty)

33 Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου 6-cylinder Wärtsilä RT-flex58T engine 11,300 kw at 105 rpm

34 Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Έξυπνοι κινητήρες (smart engines) Στο σύστημα συμπίεσης: surge, stall Στο σύστημα καύσης: λειτουργία σε «φτωχότερο» λόγο αέρα/καυσίμου για χαμηλές εκπομπές ρύπων Unsteady Pressure Sensing System Control Algorithm Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray Dynamic Bleed Actuation System

35 Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Αυτοκινητοβιομηχανία Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray

36 Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Σύστημα Ελέγχου Boiler-Steam Generator Από: Modern control systems, R.Dorf,R. Bishop, Prentice Hall, 2001

37 Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Αυτόματος Πιλότος Πορείας Πλοίου Από: Lecture Notes TTK 4190, Guidance and Control, NTNU, Trondheim, NO, 2006

38 Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Τηλεπικοινωνίες, Ρομποτική, Αεροδιαστημική (fly-by-wire), Χημική Βιομηχανία Highly Maneuverable Aircraft Technology (HiMAT), NASA Goldstone Deep Space Communications, NASA

39 Ναυπηγική Από: Lecture Notes TTK 4190, Guidance and Control, NTNU, Trondheim, NO, 2006

40 Ναυπηγική: MARES AUV Από: Underwarer Vehicles, editor A. Inzartsev, Intech, 2009

41 Ναυπηγική: Fin Stabilizers Από: Sperry Marine Northrop Grumman 2010,

42 Ναυπηγική: Μηχανικό Ψάρι Seagliders-University of Washington's Applied Physics Laboratory GhostSwimmer Spy Vehicle ghostswimmer-spy-vehicle.html

43 Ναυπηγική: Εναλλακτικές Πηγές Ενέργειας Από: ENERGY MANAGEMENT, OPTIONS FOR CONSIDERATION MANAGING CARBON EMISSIONS AND GHGS IN SHIPPING, TEUS VAN BEEK, WÄRTSILÄ NETHERLANDS, 2010

44 Τεχνολογικές Εξελίξεις που Βοήθησαν τα ΣΑΕ Η ραγδαία εξέλιξη των υπολογιστών/μικροελεγκτών Οι πρώτοι ελεγκτές ήταν αναλογικοί (κυκλώματα με transistors, αντιστάσεις, πυκνωτές, πηνία) Οι πρώτες εφαρμογές υπολογιστών (1970) δημιούργησαν μια νέα κατηγορία συστημάτων ελέγχου: τους ψηφιακούς ελεγκτές (digital controllers) Σήμερα πλέον όλες οι σύγχρονες εφαρμογές ελεγκτών χρησιμοποιούν (τουλάχιστον) έναν μικροεπεξεργαστή Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray

45 Υπολογιστικές Πλατφόρμες Τα σύγχρονα συστήματα ελέγχου υλοποιούνται σε πλήθος «βιομηχανικών» ΗΥ A) Σε κάρτες εντός του ΗΥ (δίαυλος PCI), με λειτουργικό windows/linux B) Σε εξειδικευμένο ΗΥ (τύπος PXI της National Instruments), με λειτουργικό ΝΙ C) Σε τύπο VME (δίαυλος VME), με λειτουργικό unix/linux D) Διάφορα φορμάτ: dspace A: PCI B: PXI C: VME ivme7210 VMEbus PCI extensions for Instrumentation Processor Board D: dspace DS, scalexio, autobox Α, Β: C: D: dspace.com

46 Αρχιτεκτονική Εγκατάστασης Ελέγχου Από: Modern control systems, R.Dorf, Addison Wesley, 1989

47 Μελέτη Συστήματος Ελέγχου Passino, K., Biomimicry for Optimization, Control, and Automation, Springer-Verlag London Limited, 2005

48 Software engineering: Μέθοδος «Waterfall» Passino, K., Biomimicry for Optimization, Control, and Automation, Springer-Verlag London Limited, 2005

49 Software engineering: Μέθοδος «Spiral» Passino, K., Biomimicry for Optimization, Control, and Automation, Springer-Verlag London Limited, 2005

50 MATLAB

51 MATLAB/Simulink x_dot u υπολογισμοί, σχεδιασμός ελεγκτών, προσομοίωση, real time control, κλπ u To Workspace3 To Workspace2 x Product x^2.u x^3 xdot 1 s Integrator x0=-2 x xdot Scope u(1)^3 x x^2 u(1)^2 Fcn To Workspace Fcn1 u -u(1)*(1+sqrt(1+u(1)^4)) Fcn2 Clock tt To Workspace1