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 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.

13 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

14 Εισαγωγή

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

16 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)

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

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

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

20 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

21 Τύποι Ελέγχου Έλεγχος Ανοιχτού Βρόχου (χωρίς ανατροφοδότηση) Έλεγχος Κλειστού Βρόχου (με ανατροφοδότηση)

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

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

24 Ανάστροφο Εκκρεμές (inverted pendulum)- Εργαστηριακή Άσκηση

25 Ανάστροφο Εκκρεμές ΕΝΜ

26 Ανάστροφο Εκκρεμές -Video 1

27 Ανάστροφο Εκκρεμές - Video 2

28 Ανάστροφο Εκκρεμές ENM - Video 3

29 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.

30 Βιβλιογραφία Μαθήματος-2 Διαθέσιμο στο Διαδίκτυο: caltech.edu/~mu rray/amwiki/inde x.php/main_pag e

31 Εφαρμογές

32 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

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

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

35 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)

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

37 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

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

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

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

41 Αεροναυπηγική 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

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

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

44 Nαυπηγική Αυτόματος Πιλότος Πορείας Πλοίου Από: Lecture Notes TTK 4190, Guidance and Control, NTNU, Trondheim, NO, 2006

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

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

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

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

49 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

50 Αρχιτεκτονική Εγκατάστασης Ελέγχου CERN LHC 10/2014

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

52 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

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

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

55 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)

56 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.

57 MATLAB

58 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