Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού

Transcript

1 Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού Εισαγωγή στα Συστήματα Ελέγχου-Εφαρμογές Δρ. Γεώργιος Παπαλάμπρου Επίκ. Καθηγητής ΕΜΠ Εργαστήριο Ναυτικής Μηχανολογίας ΕΜΠ/ΣΝΜΜ Εργαστήριο Ναυτικής Μηχανολογίας

2 Περιεχόμενα Εισαγωγή στα Συστήματα Ελέγχου Εφαρμογές MATLAB/Simulink

3 Εισαγωγή στα Συστήματα Ελέγχου

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

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

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

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

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

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

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

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

12 Ανάστροφο Εκκρεμές (inverted pendulum)- (Εργαστηριακή Άσκηση στη ΣΝΜM)

13 Ανάστροφο Εκκρεμές ΕΝΜ

14 Ανάστροφο Εκκρεμές ΕΝΜ

15 Ανάστροφο Εκκρεμές Berkeley 1 3 βαθμίδες Αρχείο: glip3_2.mpeg

16 Εφαρμογές

17 Ιστορική Αναδρομή Συστημάτων Ελέγχου Κλασσικός Έλεγχος Πεδίο συχνότητας, Διαγράμματα Bode, Nyquist ( ) Hendrick Bode ( ) Frequency response Harry Nyquist ( ) Frequency response, negative feedback 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 ( ) State space, Kalman Filter Petar Kokotovic (1936-) Stability, nonlinear control

18 Ιστορική Αναδρομή Συστημάτων Ελέγχου Εύρωστος Έλεγχος (1980-σήμερα) George Zames ( ) Professor, McGill University, Montreal Fundamental contributions to the theory of robust control: H-infinity methods John Doyle (61 ετών) Professor, Control and Dynamical Systems, Electrical Engineering, and BioEngineering, California Institute of Technology (Caltech) Robust control, structured singular value, H-infinity Keith Glover (70 ετών) Professor, Department of Engineering, University of Cambridge Theoretical contributions to H-infinity robust control and practical applications in automotive and aerospace

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

20 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)

21 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

22 Έλεγχος, Διαγνωστική Κινητήρα Αεροσκάφους

23 Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Αυτοκινητοβιομηχανία: Ηλεκτρονικά Συστήματα Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray Γερουσ. Ed. Muskie/ Νόμος για το Περιβάλλον

24 Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Αυτοκινητοβιομηχανία: Υβριδικό ηλεκτρικό όχημα Source:SAE Automotive Engineering Magazine, Eaton, NREL team to reduce hybrid-electricvehicle battery size, 8/2012

25 Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Υβριδικό ηλεκτρικό όχημα GM Voltec 2016

26 Υβριδική Ηλεκτρική Πρόωση ΕΝΜ Hybrid Integrated Propulsion Powertrain (HIPPO) Πειραματική Κλίνη Δοκιμών ΕΝΜ: Caterpillar 3176B marine diesel engine; Ηλεκτρικός Κινητήρας & Frequency inverter; Πέδη Νερού

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

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

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

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

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

32 Ναυπηγική: Μηχανικό Ψάρι (Robotic fish) Michigan State University Robotic Fish GhostSwimmer Spy Vehicle ghostswimmer-spy-vehicle.html Seagliders-University of Washington's Applied Physics Laboratory

33 Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Ναυτικοί κινητήρες Wärtsilä RT-flex58T engine Designed for tankers & bulk carriers. Fully compliant with the IMO Tier II exhaust emissions regulations. D series: Available in 5-cylinder up to 8-cylinder configuration, covering a power range from 7,900 to 18,080 kw at 84 to 105 rpm.

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

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

36 Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Αεροδιαστημική (fly-by-wire) Highly Maneuverable Aircraft Technology (HiMAT), NASA Αεροσκάφος με τηλεχειρισμό μη επανδρωμένο ( ) Δοκιμάστηκαν τεχνολογίες canard, ψηφιακών συστημάτων ελέγχου πτήσης, σύνθετα υλικά Σχεδιάστηκε για να δείξει επιδόσεις στους ελιγμούς 60% καλύτερες από προηγμένα μαχητικά Η κύρια έμφαση κατά τη διάρκεια της πτήσης ήταν για ελιγμούς πολλών G στη μετάβαση από 600 έως 800 mph Μήκος: 6.9 m, άνοιγμα: 4.75 m

37 Αεροναυπηγική F-35 Lightning II Short Takeoff/Vertical Landing (STOVL) (Pratt & Whitney F135 propulsion system, by Lockheed Martin & BAE Systems & Northrop Grumman)

38 Αεροδιαστημική Διαστημόπλοιο Mars Pathfinder και ρομποτικό όχημα Sojourner στον Άρη, 1997 Embedded computer on-board Sojourner: based around the 2 MHz Intel 80C85 CPU with 512 kb of RAM and 176 kb of flash memory solid-state storage. CPU of Pathfinder: radiation hardened PowerPC and realtime operating system VxWorks. The mission was jeopardised by a bug in concurrent software shortly after the rover landed, which had not been found in preflight testing because it only occurred in certain unanticipated heavy-load conditions.

39 Αεροδιαστημική Σύνδεση ATV με ISS

40 Αεροδιαστημική Σύνδεση ATV με ISS - Διαστημόπλοιο

41 Αεροδιαστημική Σύνδεση ATV με ISS - Τροχιά

42 Αεροδιαστημική ATV / ISS Εφαρμόστηκαν μέθοδοι Hinfinity για έλεγχο και ανάλυση συστήματος ελέγχου θέσης του ATV

43 Αεροδιαστημική Δορυφόρος Engineering Test Satellite VIII "KIKU No.8" (ETS-VIII) Γεωσύγχρονη τροχιά, ύψος 36,000 Km, βάρος ~ 6 tn, έλεγχος: Three-axis stabilization Εκτόξευση: Tanegashima Space Center (Ιαπωνία), 12/2006 Τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος Έγιναν πειράματα σε τροχιά για να μελετηθεί τεχνολογία αναφοράς για την κατηγορία μελλοντικών μεγάλων ευέλικτων διαστημοπλοίων που απαιτούν ελιγμούς χρησιμοποιώντας προηγμένη τεχνολογία ελέγχου. Δοκιμάστηκαν ελεγκτές Hinfinity, μ- σύνθεσης με μοντέλα για έλεγχο.

44 Αεροδιαστημική Apollo11, Σελήνη Πλοήγηση Το λογισμικό καθοδήγησης χρησιμοποίησε ένα φίλτρο Kalman για να συγχωνεύσει τα νέα δεδομένα με προηγούμενες μετρήσεις θέσης ώστε να είναι διαθέσιμη η βέλτιστη εκτίμηση θέσης για το διαστημόπλοιο Apollo 11 Oι βασικές πληροφορίες ήταν ένας μετασχηματισμός συντεταγμένων μεταξύ του IMU και δύο συστημάτων αναφοράς συντεταγμένων, ένα στη Γη και ένα με επίκεντρο την Σελήνη IMU: Inertial Measurement Unit

45 Αεροδιαστημική Apollo11, Σελήνη Ο Ηλεκτρονικός Υπολογιστής Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα ήταν της Fairchild Semiconductor, υλοποιούσαν λογική resistor-transistor logic (RTL) Ήταν συνδεμένα με wire wrap τα οποία κατόπιν τα εμπότιζαν σε ρητίνη Το λογισμικό ήταν σε assembly, που δημιουργήθηκε για τις ανάγκες του προγράμματος στο ΜΙΤ Διέθετε ένα απλό real time operating system, το Exec

46 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

47 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 PCI extensions for Instrumentation C: VME ivme7210 VMEbus Processor Board D: dspace DS, scalexio, autobox Α, Β: C: D: dspace.com

48 Υπολογιστικές Πλατφόρμες Engine Control Unit dspace microautobox Οθόνες χειρισμού συστήματος ελέγχου κινητήρα CAT στο ΕΝΜ

49 Αρχιτεκτονική Εγκατάστασης Ελέγχου Δίκτυο Automotive CAN (Controller Area Network)

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

51 Μελέτη Συστήματος Ελέγχου Αναγνώριση Συστημάτων (System Identification): Δημιουργία μαθηματικών μοντέλων για χρήση σε συστήματα ελέγχου βασισμένη σε πειραματικά δεδομένα

52 Software Engineering: Μέθοδος «Waterfall» Το μοντέλο καταρράκτη είναι μια διαδοχική διαδικασία σχεδιασμού, στην οποία η πρόοδος θεωρείται ότι ρέει σταθερά προς τα κάτω σαν καταρράκτης σε όλες τις φάσεις της σύλληψης, ανάλυσης, σχεδιασμού, κατασκευής, δοκιμών, παραγωγής/υλοποίησης και συντήρησης.

53 Software engineering: Μέθοδος «Spiral» Το σπειροειδές μοντέλο παρουσιάστηκε το 1986 από τον Barry Boehm Δίνεται έμφαση στην ανάλυση κινδύνου Υπάρχουν 4 φάσεις: Planning, Risk Analysis, Engineering και Evaluation. Ένα πρόγραμμα λογισμικού περνά επανειλημμένα μέσα από αυτές τις φάσεις στις επαναλήψεις (σπείρες)

54 Βιβλιογραφία Γενικά Διαθέσιμο στο Διαδίκτυο: du/~murray/amwiki/inde x.php/main_page Robust Control skoge/book/ edu/kemin/essential s.htm Διαθέσιμο στο Διαδίκτυο: robust/index.html

55 MATLAB/Simulink

56 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

57 MATLAB/Simulink Robust Control toolbox Σχεδιασμός robust ελεγκτών, προσομοίωση, ανάλυση, κλπ