Βιομηχανικοί Ελεγκτές

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τ.Τ Βιομηχανικοί Ελεγκτές Ενότητα #10: Μοντέρνες Μέθοδοι Αναλογικού Ελέγχου Κωνσταντίνος Αλαφοδήμος Τμήματος Μηχανικών Αυτοματισμού Τ.Ε.

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί Ενότητας Μοντέρνες Μέθοδοι Αναλογικού Ελέγχου 4

5 Περιεχόμενα Ενότητας - 1 Εισαγωγή Μοντέρνοι Μέθοδοι 5

6 Εισαγωγή - 1 Προδιαγραφές Επιλογή hardware Σταθερή λειτουργία με επαρκές όριο σταθερότητας Επιτρεπτή μεταβατική απόκριση Προδιαγραφές περιοχής συχνότητας Απόρριψη διαταραχής Ευαισθησία σε μεταβολές των παραμέτρων Δείκτες απόδοσης 6

7 Εισαγωγή - 2 7

8 Μοντέρνοι Μέθοδοι - 1 Αντικατάσταση Πόλων (Pole cancellation): Αντικατάσταση των αργών πόλων με γρηγορότερους για να αυξηθεί η απόκριση του συστήματος. Αντικατάσταση του κυρίαρχου πόλου (dominant) με αργό πόλο για να αυξηθεί η ακρίβεια σταθερής κατάστασης του συστήματος. Αντικατάσταση ζεύγους μιγαδικών πόλων με διαφορετικό μιγαδικό ζεύγος για να τροποποιηθεί η μεταβατική απόκριση. Η μέθοδος αυτή είναι γνωστή σαν Deadbeat και χρησιμοποιείται είτε στο διάστημα της συχνότητας (διάγραμματα Bode ) είτε στο διάστημα του χρόνου (τόπος ριζών). 8

9 Μοντέρνοι Μέθοδοι - 2 Μοντέλο Εσωτερικής Καταστασης (State space model) Το σύστημα περιγράφεται από σύστημα εξισώσεων σε μορφή πινάκων. Αυτό επιτυγχάνεται με την αναγνώριση και ανάπτυξη σχέσεων μεταξύ των διαφόρων καταστάσεων ή μεταβλητών του μοντέλου. Επιλέγεται η τιμή κέρδους στον βρόγχο ανάδρασης για την μεταφορά των πόλων του συστήματος σε κάποια επιθυμητή θέση στο επίπεδο s ή z. Ελεγκτές εσωτερικής κατάστασης (State controllers) χρησιμοποιούνται για έλεγχο συστημάτων με πολλές μεταβλητές ή καταστάσεις (πολυμεταβλητά συστήματα). Αυτοί οι ελεγκτές δεν υπολογίζονται άμεσα διότι ίσως δεν είναι δυνατό να μετρηθούν όλες οι μεταβλητές εσωτερικής κατάστασης αλλά χρησιμοποιούνται σε συνδιασμό με εκτιμητές (Observers). Οι ελεγκτές του τύπου αυτού επιτρέπουν λεπτομερειακό έλεγχο της συμπεριφοράς του συστήματος. 9

10 Μοντέρνοι Μέθοδοι - 3 Εκτιμητές (Observer model) Συχνά στα συστήματα ελέγχου, ορισμένες από τις μεταβλητές εσωτερικής κατάστασης δεν είναι δυνατόν να μετρηθούν. Ένας εκτιμητής (observer ή estimator) χρησιμοποιείται για την εκτίμηση των αγνώστων μεταβλητών με την βοήθεια των γνωστών μεταβλητών. Oι εκτιμώμενες μεταβλητές και το κατάλληλο κέρδος ανάδρασης μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο πλήρη έλεγχο βρόγχου για να τοποθετήσουν τους πόλους σε επιθυμητή θέση. Επομένως εκτιμητές συνήθως χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με ελεγκτές εσωτερικής κατάστασης στις περιπτώσεις που ορισμένες μεταβλητές εσωτερικής κατάστασης είναι άγνωστες. 10

11 Μοντέρνοι Μέθοδοι - 4 Βέλτιστος Έλεγχος χρησιμοποιείται στις περιπτώσεις που απαιτείται ελαχιστοποίηση συγκεκριμένης απόδοσης ή κριτηρίου κόστους (χρόνος και ενέργεια). Χρησιμοποιώντας το συγκεκριμένο κριτήριο ή συνάρτηση, σχεδιάζεται κατάλληλος κανόνας ελέγχου που υλοποιείται με ελεγκτή που είναι γνωστός σαν τετραπλός γραμμικός ρυθμιστής LQR (Linear Quadratic Regulator). 11

12 Μοντέρνοι Μέθοδοι - 5 Το μοντέλο με παρατηρητή χρησιμοποιείται σε ένα σύστημα που υπάρχει επακριβής μέτρηση εσωτερικών μεταβλητών. Όμως, η παρουσία θορύβου ή αβεβαιότητας στα στοχαστικά συστήματα, κάνει δύσκολη την επακριβή μέτρηση. Το φίλτρο Kalman είναι ένα μοντέλο παρατηρητή που χρησιμοποιείται σε στοχαστικά συστήματα με θόρυβο. 12

13 Μοντέρνοι Μέθοδοι - 6 Ο προσαρμοστικός έλεγχος χρησιμοποιείται σε συστήματα με ελλιπή πληροφόρηση σχετικά με τις παραμέτρους της διεργασίας με αποτέλεσμα το μαθηματικό μοντέλο (συνάρτηση μεταφοράς) να είναι άγνωστο. Επίσης, χρησιμοποιείται σε συστήματα των οποίων οι παράμετροι της διεργασίας ή του μοντέλου μεταβάλλονται με την πάροδο του χρόνου, με αποτέλεσμα ο ελεγκτής να αδυνατεί να βελτιώσει το σύστημα. Ο προσαρμοστικός έλεγχος λειτουργεί σε πραγματικό χρόνο (real time) που υπολογίζονται οι νέες τιμές του μοντέλου της διεργασίας και στη συνέχεια ξανασχεδιάζεται ο ελεγκτής για βέλτιστη απόδοση (Σύστημα βέλτιστου ελέγχου). 13

14 Τέλος Ενότητας