Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο

Transcript

1 Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο Δρ. Γεώργιος Παπαλάμπρου Επίκουρος Καθηγητής ΕΜΠ Εργαστήριο Ναυτικής Μηχανολογίας ΕΜΠ/ΣΝΜΜ Εργαστήριο Ναυτικής Μηχανολογίας 1/58

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

3 Οργάνωση 3

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 ανακοινώσεις (σύνδεση με mycourses.ntua.gr) 4

5 Οργάνωση Μαθήματος Δίνεται έμφαση στην συνεργασία Διδάσκονταφοιτητών μέσω των παραδόσεων στην τάξη Βασική επικοινωνία μέσω Ημερομηνίες: 3 Οκτ Ιαν (~ 25 μαθήματα) 5

6 Προγραμματισμός Μαθήματος ΣΝΜΜ Μάθημα: Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο Ημέρες διδασκαλίας: Τετ. 8:45, Παρασκ: 12:45 Α/Α Εβδομάδας Ημερομηνία Α/Α Κεφαλαίου Κεφάλαιο Περιεχόμενα Παραδείγματα 13/10/2014 Αρχή χειμερινού εξαμήνου Ε1 15/10/2014 Οργάνωση μαθήματος. Στόχοι. Εισαγωγή στα Συστήματα Ελέγχου Ανασκόπηση MATLAB/Simulink Ε2 22/10/ Εισαγωγή Εισαγωγή-Παραδείγματα, Μοντελοποίηση Π1 Ε3 29/10/2014 Μετασχηματισμός Laplace, Επίλυση ΔΕ Π2 Ε4 5/11/2014 Γραμμικοποίηση, Ανάλυση μεταβατικής απόκρισης συστημάτων Π3 Ε5 12/11/ Μοντέρνος Έλεγχος Χώρος κατάστασης Π4 Ε6 19/11/2014 Γραμμικά συστήματα, Ανατροφοδότηση καταστάσεων Π5 Ε7 26/11/2014 Ελεγκτές με τοποθέτηση πόλων Π6 Ε8 3/12/2014 Βέλτιστος Έλεγχος, Παρατηρητές Π7 Ε9 5/12/ Κλασσικός Έλεγχος Απόκριση συχνότητας Π8 Ε10 17/12/2014 Διαγράμματα Bode, Π9 Ε11 7/1/2015 Ελεγκτές PID Π10 Ε12 14/1/2015 Ελεγκτές IMC Π11 Ε13 21/1/2015 Εργαστήριο: Ανεστραμένο Εκκρεμές (μοντέρνος έλεγχος) ΕΡΓ1, ΕΡΓ2 Εργασία στο Σπίτι 1, 2 HW1, HW2 25/1/2015 Λήξη χειμερινού εξαμήνου

7 Ιστοσελίδα Μαθήματος Αρχική Ιστοσελίδα ΕΝΜ: Πλοήγηση: Academic Info Προσφερόμενα Μαθήματα Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο 7

8 Ιστοσελίδα Μαθήματος (συνεχ.) Πλοήγηση: Academic Info Προσφερόμενα Μαθήματα Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο 8

9 Ιστοσελίδα Μαθήματος (συνεχ.) pdf παραδόσεων 9

10 Ιστοσελίδα Μαθήματος (συνεχ.) pdf ασκήσεων σπιτιού (HW) 10

11 Σημειώσεις Το υλικό του μαθήματος αποτελείται από: τις σημειώσεις του Διδάσκοντα, σε μορφή pdf [από την ιστοσελίδα] το βιβλίο του Κ. Ogata (διανέμεται μέσω του «ΕΥΔΟΞΟΣ»- νέο από το ) 11

12 Βιβλιογραφία Μαθήματος Παπαλάμπρου, Γ., Σημειώσεις, ιστοσελίδα μαθήματος, 2015 (pdf). 2. Ogata, K., Modern Control Engineering, Prentice Hall, 2001 (μέσω του «Εύδοξος»). 3. Franklin, Powell, E-Neini, Feedback Control of Dynamic Systems, Addison, Dorf, R., Bishop, R., Modern Control Systems, Prentice Hall,

13 Βιβλιογραφία Μαθήματος-2 5. K. Åström, R. Murray, Feedback Systems: An Introduction for Scientists and Engineers Διαθέσιμο στο Διαδίκτυο: ndex.php/main_page 13

14 Τελικός Βαθμός Μαθήματος Ο τελικός βαθμός προκύπτει: Από το τελικό διαγώνισμα (90%) [παράδειγμα εξέτασης 2010] 1 σειρά ασκήσεων (homework), υποχρεωτική (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 14

15 Ενότητες Μαθήματος Μέρος 1 ο : Εισαγωγή, Μετασχηματισμός Laplace, Επίλυση ΔΕ,Γραμμικοποίηση, Ανάλυση συστημάτων, Γραμμικά συστήματα. Μέρος 2 ο : Χώρος κατάστασης, Ανατροφοδότηση καταστάσεων, Ελεγκτές με τοποθέτηση πόλων, Βέλτιστος έλεγχος, Παρατηρητές. Μέρος 3 ο : Ελεγκτές PID, Internal Model Control (IMC) Μέρος 4 ο : Απόκριση συχνότητας, Διαγράμματα Bode, Loop Shaping 15

16 Εισαγωγή 16

17 Τι είναι «Έλεγχος (control)»? Έλεγχος είναι χρήση διαφόρων διατάξεων που οδηγούν ή ρυθμίζουν τη συμπεριφορά άλλων διατάξεων ή συστημάτων. 17

18 Τι είναι «Ανατροφοδότηση (feedback)? Ανατροφοδότηση είναι διεργασία δύο (ή περισσοτέρων) δυναμικών συστημάτων που είναι συνδεδεμένα ώστε το κάθε ένα επηρεάζει δραστικά τα άλλα. ανατροφοδότηση Κλειστός Βρόχος (με ανατροφοδότηση) Ανοιχτός Βρόχος (χωρίς ανατροφοδότηση) 18

19 Μία Πλήρης Διάταξη Ελέγχου Σύστημα Ελεγκτής Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray 19

20 Βασική Διάταξη Ελέγχου: Κλειστός Βρόχος Στόχοι: Ευστάθεια (stability), Επιδόσεις (performance), Ευρωστία (robustness) Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray 20

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

22 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 Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray 22

23 Ένας Διαφορετικός Ελεγκτής: Fuzzy Logic 23 Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray

24 Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray 24

25 Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα: το Ανάστροφο Εκκρεμές - Εργαστηριακή Άσκηση στο ENM 25

26 Ανάστροφο Εκκρεμές: η Δυναμική 26

27 Ανάστροφο Εκκρεμές -Video 1 27

28 Ανάστροφο Εκκρεμές - Video 2 28

29 Ανάστροφο Εκκρεμές στο ENM - Video 3 29

30 Εφαρμογές 30

31 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 ( ) 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

32 Υβριδική Ηλεκτρική Πρόωση ΕΝΜ Hybrid Integrated Propulsion Powertrain (HIPPO) Πειραματική Κλίνη Δοκιμών ΕΝΜ: Caterpillar 3176B marine diesel engine; Ηλεκτρικός Κινητήρας & Frequency inverter; Πέδη Νερού 32

33 Οι Πρώτες Εφαρμογές Ελέγχου Ρυθμιστής στροφών του Watt (1788) Φυγοκεντρικός ρυθμιστής στροφών ατμομηχανής Μειώνει τις επιδράσεις από τις διακυμάνσεις του φορτίου (απόρριψη διαταραχών) 33

34 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) 34

35 Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Ναυτικοί κινητήρες Wärtsilä RT-flex58T engine 6-cylinder, two-stroke, common-rail, 11,300 kw at 105 rpm 35

36 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 Dynamic Bleed Actuation System Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray 36

37 Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Αυτοκινητοβιομηχανία Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray 37

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

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

40 Αεροναυπηγική Αεροδιαστημική (fly-by-wire) Highly Maneuverable Aircraft Technology (HiMAT), NASA Αεροσκάφος με τηλεχειρισμό μη επανδρωμένο ( ) Δοκιμάστηκαν τεχνολογίες canard, ψηφιακών συστημάτων ελέγχου πτήσης, σύνθετων υλικών Σχεδιάστηκε για να δείξει επιδόσεις στους ελιγμούς 60% καλύτερες από προηγμένα μαχητικά Κύρια έμφαση κατά τη διάρκεια της πτήσης: για ελιγμούς πολλών G στη μετάβαση από 600 έως 800 mph Μήκος: 6.9 m, άνοιγμα: 4.75 m 40

41 Αεροναυπηγική F-35 Lightning II Short Takeoff/Vertical Landing (STOVL) (Pratt & Whitney F135 propulsion system, by Lockheed Martin & BAE Systems & Northrop Grumman) 41

42 Ναυπηγική Nαυπηγική Από: Lecture Notes TTK 4190, Guidance and Control, NTNU, Trondheim, NO,

43 Nαυπηγική Αυτόματος Πιλότος Πορείας Πλοίου Από: Lecture Notes TTK 4190, Guidance and Control, NTNU, Trondheim, NO,

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

45 Ναυπηγική: Fin Stabilizers Από: Sperry Marine Northrop Grumman 2010, 45

46 Ναυπηγική: Μηχανικό Ψάρι (Robotic fish) Seagliders-University of Washington's Applied Physics Laboratory GhostSwimmer Spy Vehicle ghostswimmer-spy-vehicle.html Michigan State University Robotic Fish video 46

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

48 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 48

49 Αρχιτεκτονική Εγκατάστασης Ελέγχου CERN LHC 10/

50 Αρχιτεκτονική Εγκατάστασης Ελέγχου Δίκτυο Automotive CAN (Controller Area Network) 50

51 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 51

52 Υπολογιστικές Πλατφόρμες Engine Control Unit dspace microautobox Οθόνες χειρισμού συστήματος ελέγχου κινητήρα CAT στο ΕΝΜ 52

53 Ανάπτυξη Συστήματος Ελέγχου Passino, K., Biomimicry for Optimization, Control, and Automation, Springer-Verlag London Limited,

54 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

55 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. 55

56 MATLAB 56

57 MATLAB/Simulink Εκτενής χρήση: υπολογισμοί, σχεδιασμός ελεγκτών, προσομοίωση, real time control, κλπ u x_dot To Workspace3 u 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

58 Διπλωματικές Εργασίες ΕΝΜ 58