Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο

Σχετικά έγγραφα
Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο ( ) Σημειώσεις Μαθήματος Μέρος 3ο: Κλασσικός Έλεγχος. Γεώργιος Παπαλάμπρου

Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο ( ) Σημειώσεις Μαθήματος Μέρος 3ο: Κλασσικός Έλεγχος. Γεώργιος Παπαλάμπρου

Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου

Βαθμονόμηση PID Ρυθμιστών

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου II

5o Εργαστήριο Σ.Α.Ε Ενότητα : Ελεγκτές PID

Υποθέστε ότι ο ρυθμός ροής από ένα ακροφύσιο είναι γραμμική συνάρτηση της διαφοράς στάθμης στα δύο άκρα του ακροφυσίου.

Λύσεις θεμάτων Α εξεταστικής περιόδου εαρινού εξαμήνου (Ιούνιος 2015)

Εισαγωγικές έννοιες θεωρίας Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου

Βιομηχανικοί Ελεγκτές

Η Βασική Δομή Συστημάτων Ελέγχου Κίνησης

Βιομηχανικοί Ελεγκτές

Άσκηση 3. Ποιοτική Μελέτη των νόμων ελέγχου δύο και τριών όρων (συσκευή: Προσομοιωτής ελέγχου PCS327: Σχ.1) Απαραίτητες γνώσεις

ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ. (α) Ο Διαδοχικός Έλεγχος (β) Ο Προσωτροφοδοτικός έλεγχος (γ) Τα Πολυμεταβλητά Συστήματα

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

ΕΛΕΓΚΤΕΣ PID. Ελεγκτής τριών όρων Η συνάρτηση μεταφοράς του PID ελεγκτή είναι η ακόλουθη:

ΕΛΕΓΧΟΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 3 η : Δυναμικά Χαρακτηριστικά Τυπικών Συστημάτων Ευστάθεια Δυναμικών Συστημάτων. Παναγιώτης Σεφερλής

Προγραμματισμός Ηλεκτρονικών Υπολογιστών 2 - Εργαστήριο

Λύσεις θεμάτων εξεταστικής περιόδου Ιανουαρίου Φεβρουαρίου 2015

Έλεγχος Κίνησης

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΔΙΕΥΘΥΝΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Γ.Π. ΠΑΠΑΒΑΣΙΛΟΠΟΥΛΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΑΣΚΗΣΗ 2

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου ΙΙ

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου

Controllers - Eλεγκτές

ΤΕΙ ΑΝΑΤΟΛΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ & ΘΡΑΚΗΣ

Βιομηχανικοί Ελεγκτές

1) Τι είναι ένα Σύστημα Αυτομάτου Ελέγχου 2) Παραδείγματα εφαρμογών Συστημάτων Ελέγχου 3) Τι είναι ανατροφοδότηση (Feedback) και ποιες είναι οι

Είδη Διορθωτών: Υπάρχουν πολλών ειδών διορθωτές. Μία βασική ταξινόμησή τους είναι οι «Ειδικοί Διορθωτές» και οι «Κλασσικοί Διορθωτές».

Βιομηχανικοί Ελεγκτές

ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ

Λύσεις θεμάτων Εξεταστικής Περιόδου Σεπτεμβρίου 2014

Λύσεις θεμάτων Α εξεταστικής περιόδου Χειμερινού εξαμήνου

3 Διακριτοποίηση Συστημάτων Συνεχούς Χρόνου... 65

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου

Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο Συστήματα, Εφαρμογές, Αισθητήρια

Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού

ΔΥΝΑΜΙΚΗ & ΕΛΕΓΧΟΣ - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ

Ρυθµιστές PID. Βρόχος Ανατροφοδότησης Αναλογικός Ρυθµιστής (Ρ) Ολοκληρωτικός Ρυθµιστής (Ι) ιαφορικός Ρυθµιστής (D) Ρύθµιση PID

Εισαγωγή στην Ανάλυση Συστηµάτων Αυτοµάτου Ελέγχου: Χρονική Απόκριση και Απόκριση Συχνότητας

ΕΝΟΤΗΤΑ 12: ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ BODE

ΔΥΝΑΜΙΚΗ & ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΠΑΝΑΛΗΨΗΣ

ΧΡΟΝΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΩΝ ΠΟΛΩΝ ΤΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΕΞΟΔΟΥ Y(s) ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΓΝΩΡΙΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΣΕ ΕΙΣΟΔΟ ΜΟΝΑΔΙΑΙΑΣ ΒΑΘΜΙΔΑΣ

Έλεγχος Κίνησης

Έλεγχος Κίνησης

Ερωτήσεις 1 ου Θέματος [8 Χ 0.25= 2.0 β.] Οι απαντήσεις πρέπει υποχρεωτικά νε βρίσκονται εντός του περιγεγραμμένου χώρου G()

Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Ειδικά Συστήματα Ελέγχου Πλοίου Δρ. Γ. Παπαλάμπρου ΣΝΜΜ-ΕΜΠ 4/2013

Έλεγχος στροφών κινητήρα DC με ελεγκτή PI, και αντιστάθμιση διαταραχής.

Ψηφιακός Έλεγχος. 6 η διάλεξη Σχεδίαση στο χώρο κατάστασης. Ψηφιακός Έλεγχος 1

Άσκηση: Ένα σύστηµα µε είσοδο u(t), έξοδο y(t) και διάνυσµα κατάστασης x(t) = (x 1 (t) x 2 (t)) T περιγράφεται από το ακόλουθο διάγραµµα:

Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο ( ) Σημειώσεις Μαθήματος Μέρος 4ο: Απόκριση Συχνότητας. Γεώργιος Παπαλάμπρου

ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ

Λύσεις θεμάτων Α εξεταστικής περιόδου χειμερινού εξαμήνου (Ιούνιος 2014)

ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ

Ακαδηµαϊκό Έτος , Εαρινό Εξάµηνο ιδάσκων Καθ.: Νίκος Τσαπατσούλης

Ο ελεγκτής PID χοντρικά...

ΑΣΚΗΣΗ Για τα µαθήµατα: Εισαγωγή στον Αυτόµατο Έλεγχο (5 ο Εξάµηνο ΣΗΜΜΥ) Σχεδίαση Συστηµάτων Αυτοµάτου Ελέγχου (6 ο Εξάµηνο ΣΗΜΜΥ)

NETCOM S.A. ΨΗΦΙΑΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΛΜΟΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ DIGITAL CONTROL OF SWITCHING POWER CONVERTERS

10 o Εργαστήριο Σ.Α.Ε

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. 9o Εργαστήριο Σ.Α.Ε. Ενότητα : Έλεγχος Υδραυλικού Συστήματος

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

(είσοδος) (έξοδος) καθώς το τείνει στο.

Λύσεις θεμάτων Α εξεταστικής περιόδου χειμερινού εξαμήνου (Ιούνιος 2014)

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου ΙΙ

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 2

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΣΩ ΤΟΥ ΙΑ ΙΚΤΥΟΥ

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου με Ανάδραση - Σερβομηχανισμοί

Ψηφιακός Έλεγχος. 10 η διάλεξη Ασκήσεις. Ψηφιακός Έλεγχος 1

Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 8 η : Βελτίωση απόδοσης βρόχου ανάδρασης Α. Έλεγχος διαδοχικών βρόχων. Παναγιώτης Σεφερλής

Περιγραφή Συστηµάτων Αυτοµάτου Ελέγχου

Εισαγωγικές έννοιες θεωρίας Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου Ενότητα 1 η : Εισαγωγή

Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 10 η : Σχεδίαση αντισταθμιστών στο πεδίο της συχνότητας. Παναγιώτης Σεφερλής

FORTRAN και Αντικειμενοστραφής Προγραμματισμός

Βαθμολογία Προβλημάτων Θέμα (μέγιστος βαθμός) (βαθμός εξέτασης)

Βιομηχανικοί Ελεγκτές

ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ

Κεφάλαιο 6. Έλεγχος στο Πεδίο της Συχνότητας. Τόπος Ριζών Διάγραµµα Bode Διάγραµµα Nyquist Ψηφιακός PID

Θεωρείστε το σύστηµα του ανεστραµµένου εκκρεµούς-οχήµατος του Σχ. 1 το οποίο περιγράφεται από το δυναµικό µοντέλο

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

6. ΑΡΧΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου-Εργαστήριο

y 1 Output Input y 2 Σχήµα 1.1 Βασική δοµή ενός συστήµατος ελέγχου κλειστού βρόγχου

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 1: Σήματα Συνεχούς Χρόνου. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Σύστημα και Μαθηματικά μοντέλα συστημάτων

ΔΥΝΑΜΙΚΗ & ΕΛΕΓΧΟΣ - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ

ΕΛΕΓΧΟΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ ΠΡΟΣΑΡΜΟΣΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ (Process Identifications)

Λύσεις θεμάτων εξεταστικής περιόδου Ιανουαρίου Φεβρουαρίου 2015

ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Λ. ΜΠΙΣΔΟΥΝΗΣ ΛΥΣΕΙΣ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ» ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 28/01/2015

Κεφάλαιο 7. Σύνοψη Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται βασικά μοντέλα πνευματικών ενεργοποιητών καθώς επίσης και βασικοί αλγόριθμοι ελέγχου τους.

MATLAB. Εισαγωγή στο SIMULINK. Μονάδα Αυτόματης Ρύθμισης και Πληροφορικής

Εισαγωγικές έννοιες θεωρίας Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου

Παραρτήματα. Παράρτημα 1 ο : Μιγαδικοί Αριθμοί

Κεφάλαιο 4 Σχεδίαση Συστηµάτων Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές - Συνεχής Σχεδίαση

ΕΛΕΓΧΟΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΣΑΡΜΟΣΤΙΚΟΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΙΙ - Τελική εξέταση Σεπτεμβρίου 2008 ΕΠΩΝΥΜΟ (εξεταζόμενου/ης)

ΚΥΡΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ Σ.Α.Ε ΜΕ ΤΟ SIMULINK (MATLAB)

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου Ι Ασκήσεις Πράξης

Ανάπτυξη Δικτύων Ελέγχου και Αυτοματισμού Ενεργειακών Εγκαταστάσεων

Transcript:

Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο ΣΑΕ 2016-2017 Δρ Γ Παπαλάμπρου Επίκουρος Καθηγητής ΕΜΠ georgepapalambrou@lmentuagr Εργαστήριο Ναυτικής Μηχανολογίας (Κτίριο Λ) Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών Εθνικό Μετσοβιο Πολυτεχνείο December 9, 2016 Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Περιεχόμενα Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Σχεδιασμός Ελεγκτών Ποιός είναι ο στόχος? 1 Χρήση ελεγκτών Χρήση ελεγκτών P, I, D, PI, PID Χρήση ελεγκτών IMC (σήμερα) 2 Ρύθμιση παραμέτρων για ελεγκτές PID Πειραματικές μέθοδοι Ziegler-Nichols Χρήση παραμέτρων IMC (σήμερα) Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Ελεγκτές IMC Η μέθοδος Internal Model Control (IMC) αναπτύχθηκε από τους Morari, Garcia και Rivera (1982, 1986) 1 Γίνεται η βασική υπόθεση για την ύπαρξη μοντέλου (Internal Model) που περιγράφει ικανοποιητικά την διεργασία και υπολογίζονται αναλυτικά εκφράσεις για τον ελεγκτή Πλεονέκτημα της μεθόδου είναι ότι λαμβάνεται υπόψη με συστηματικό τρόπο η αβεβαιότητα στο μοντέλο Δομικό διάγραμμα για ένα βρόχο ελέγχου με ελεγκτή τύπου IMC φαίνεται στο Σχήμα Ο ελεγκτής IMC περιλαμβάνεται στην σκιασμένη περιοχή 1 M Morari and E Zafiriou, Robust Process Control, Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1989 Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Ελεγκτές IMC - Αβεβαιότητα στο μοντέλο Αβεβαιότητα (uncertainty) στο μοντέλο θεωρούμε τις διαφορές ανάμεσα στο πραγματικό σύστημα και στο μοντέλο (ή μοντέλα) που χρησιμοποιείται για τον σχεδιασμό του ελεγκτή Η απόκριση συστήματος με αβεβαιότητα σε βηματική είσοδο δίνεται στο Σχήμα Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Ελεγκτές IMC Σ P Σ ˆP y Q r d ŷ u ˆd = y ŷ Σ Controller System Internal model e Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Ελεγκτές IMC Ως P θεωρούμε τη συνάρτηση μεταφοράς της εγκατάστασης, ˆP το μοντέλο της εγκατάστασης, d την διαταραχή στην έξοδο y Ο ελεγκτής Q υπολογίζει την τιμή της εισόδου u (μεταβλητή ελέγχου) Στόχος του συστήματος ελέγχου είναι να κρατηθεί η έξοδος y κοντά στην αναφορά r Θεωρούμε ότι η έξοδος y είναι γνωστή με ακρίβεια, δηλ δεν υπάρχει θόρυβος και συνάρτηση μεταφοράς μετρητικής διάταξης Γίνεται χρήση του μοντέλου συστήματος ˆP και της εξόδου u του ελεγκτή για να υπολογισθεί η απόκριση του μοντέλου, ŷ Το σήμα πίσω-ανατροφοδότησης είναι ˆd = y ŷ = (P ˆP)u + d (1) Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Ελεγκτές IMC Στην περίπτωση που το μοντέλο είναι ακριβές (P = ˆP) και δεν υπάρχει διαταραχή (d = 0), τότε η έξοδος του μοντέλου ŷ και η έξοδος της εγκατάστασης y είναι ίδιες και το σήμα ˆd είναι μηδέν Έτσι το σύστημα είναι ανοιχτού βρόχου στην περίπτωση που δεν υπάρχει αβεβαιότητα μοντέλου (model uncertainty) και άγνωστες είσοδοι d Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Ελεγκτές IMC Ο ελεγκτής IMC σχεδιάζεται σε δύο βήματα Βήμα 1: Το μοντέλο εγκατάστασης αναλύεται σε παράγοντες ως ˆP = P + P (2) Ο παράγοντας P + περιλαμβάνει καθυστερήσεις (e θs ) και μηδενιστές στο δεξιό ημιεπίπεδο Ο παράγοντας P περιλαμβάνει συνάρτηση που μπορεί να αντιστραφεί Στο βήμα αυτό επιτυγχάνεται η επίδοση με το κανονικό μοντέλο (=Nominal Performance) Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Ελεγκτές IMC Βήμα 2: Υλοποιείται ο ελεγκτής Q(s) ως Q = 1 P f (3) όπου f είναι βαθυπερατό φίλτρο (low pass filter) Το φίλτρο έχει μορφή f(s) = 1 (λs + 1) n (4) Στο βήμα αυτό επιτυγχάνεται η επίδοση και η ευστάθεια με το μοντέλο που περιέχει αβεβαιόητα (=Robust Performance και Robust Stability) Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Ελεγκτές IMC Η επιλογή τιμή της παραμέτρου λ του φίλτρου είναι σημαντική Γενικά αυξάνοντας το λ παράγεται συντηρητικός ελεγκτής εφόσον αυξάνει το K c και μειώνεται το T i Για σύστημα FOPTD, στην βιβλιογραφία προτείνονται εναλλακτικά οι εξής περιπτώσεις: λ/θ > 08 και λ > 01τ τ > λ > θ λ = θ Εφαρμόζοντας ελεγκτή IMC σε συστήματα πρώτης και δεύτερης τάξης με καθυστέρηση, προκύπτουν ελεγκτές με δομή όμοια με αυτή των ελεγκτών PI, PID, με αναλυτικές εκφράσεις των τριών παραμέτρων Χρησιμοποιώντας τις αναλυτικές εκφράσεις των παραμέτρων, γίνεται ρύθμιση των παραμέτρων των ελεγκτών PI, PID Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Καθυστέρηση Σύστημα 1ης τάξης με καθυστέρηση P(s) = Ke t ds τs + 1 Η ύπαρξη καθυστέρησης συναντάται συχνά στις διεργασίες, όπου η μέτρηση της μεταβλητής εξόδου φτάνει καθυστερημένα στο σύστημα επεξεργασίας/ελέγχου Λόγοι καθυστέρησης συνήθως είναι η απόκριση του αισθητήρα ή/και η τοποθεσία του κατάντι από το μέγεθος που μετράει (5) command u measurement y m Liquid A In Liquid B In Valve Pump Pipeline Density Sensor time delay t d Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Καθυστέρηση (συνέχ) Σε ότι αφορά την μαθηματική απεικόνηση της καθυστέρησης, αυτή περιλαμβάνεται στην διαφορική εξίσωση ως t t d, με t d την καθυστέρηση, οπότε και σε συναρτήσεις μεταφοράς με τον μετασχηματισμό Laplace παριστάνεται ως e t ds command u measurement y m Liquid A In Liquid B In Valve Pump Pipeline Density Sensor time delay t d Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Απεικόνηση Καθυστέρησης κατά Pade Για να υπάρχει σε συνάρτηση μεταφοράς που περιέχει παράγοντα καθυστέρησης δυνατότητα εκτέλεσης πράξεων, πρέπει να εξαλειφθεί ο παράγοντας αυτός, ως ακολούθως Αντικαθιστούμε τον παράγοντα καθυστέρησης e θs με το ανάπτυγμα του σε σειρά Taylor, κρατώντας μόνο τον όρο 1ης τάξης e θs 1 θ 2 s 1 + θ 2 s (6) Η προσέγγιση της εξ 16 είναι γνωστή ως προσέγγιση παράγοντα καθυστέρησης e θs με παράγοντα Pade 1ης τάξης Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

IMC - Εναλλακτική παράσταση κλασσικού ελέγχου Ο συνδιασμός των Q, ˆP που αποτελούν μέρος του συστήματος ελέγχου σε ένα στοιχείο C, δίνει κλασσικό σύστημα ελέγχου με ανατροφοδότηση, όπου C(s) = Q 1 ˆPQ (7) όπως φαίνεται στο Σχήμα Οι αλλαγές δεν επηρεάζουν τα σήματα u, y Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Παράδειγμα: IMC για Σύστημα Δεύτερης Τάξης Εφαρμόζεται ελεγκτής IMC σε σύστημα δεύτερης τάξης με καθυστέρηση Το σύστημα έχει συνάρτηση μεταφοράς P(s) = Ο ελεγκτής έχει τη μορφή e 2s s 2 + 2s + 1 (8) Q(s) = (s 2 1 + 2s + 1) (2s + 1) 2 (9) με φίλτρο δεύτερης τάξης (n = 2), με παράμετρο φίλτρου λ = 2 Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Παράδειγμα: IMC για Σύστημα Δεύτερης Τάξης Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Παράδειγμα: IMC για Σύστημα Δεύτερης Τάξης Δίνεται μοναδιαία βηματική είσοδος σε t = 1sec και διαταραχή με μορφή μοναδιαίας βηματικής εισόδου σε t = 40sec Στο ίδιο διάγραμμα φαίνεται επίσης η απόκριση του συστήματος σε λειτουργία ανοιχτού βρόχου Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Παράδειγμα: IMC για Σύστημα Δεύτερης Τάξης Στον ανοιχτό βρόχο το σύστημα έχει πιο γρήγορη αρχική απόκριση, όμως η διαταραχή παραμένει στο τελικό αποτέλεσμα Με την εφαρμογή του συγκεκριμένου ελεγκτή, το σύστημα αντιμετωπίζει με επιτυχία τη διαταραχή αλλά έχει πιο αργή απόκριση στην αρχή Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Ρύθμιση Παραμέτρων Ελεγκτών PID Οι ρυθμίσεις παραμέτρων ελεγκτών PID μπορούν να γίνουν με διάφορους τρόπους όπως: Απευθείας σύνθεση (Direct Synthesis-DS), λαμβάνοντας υπόψη τις επιθυμητές προδιαγραφές του τελικού συστήματος Μέθοδος Internal Model Control-IMC, για ελεγκτές τύπου PI, PID Πειραματικές μεθόδους, μετά την εγκατάσταση του ελεγκτή στο σύστημα Είναι ιδιαίτερο πρόβλημα στην περίπτωση που δεν υπάρχει λεπτομερές μοντέλο εγκατάστασης Τότε χρησιμοποιούνται πειραματικές μέθοδοι για την αρχική εκτίμηση παραμέτρων κατευθυντή Τέτοιοι μέθοδοι είναι των Ziegler-Nichols (Z-N), Cohen-Coon (C-C), καθώς και auto-relay Μέθοδος απόκρισης συχνότητας (frequency response) Ρύθμιση σε πραγματικό χρόνο, μετά την εγκατάσταση του συστήματος και κατά την λειτουργία του (self-tuning control) Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Μέθοδος PID-IMC Με την μέθοδο ρύθμισης PID-IMC προκύπτουν παράμετροι για ελεγκτές PI, PID για διάφορες συναρτήσεις μεταφοράς συστημάτων Οι επόμενοι πίνακες (μέρος 1, 2) δείχνουν τις διάφορες τιμές παραμέτρων ελεγκτών PI, PID με βάση τον ελεγκτή τύπου IMC Το σύστημα περιγράφεται με το μοντέλο, για περιπτώσεις Α-Η και Ι-Ο Έχει εκλεγεί φίλτρο τάξης n = 1 Η σταθερά χρόνου του φίλτρου τ c είναι παράμετρος σχεδιασμού Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Μέθοδος PID-IMC: Τιμές ρύθμισης PID 1/2 Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Μέθοδος PID-IMC: Τιμές ρύθμισης PID 2/2 Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 1- PID-IMC Δίνεται σύστημα αποθήκευσης υγρού που περιγράφεται ως σύστημα ολοκληρωτή με καθυστέρηση G(s) = Ke θs s (10) όπου K το κέρδος και θ η καθυστέρηση Οι τιμές των παραμέτρων είναι: K = 02, θ = 74 sec, με τιμή παραμέτρου του φίλτρου IMC τ c = 8 και τ c = 15 Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 1- PID-IMC Ζητείται: 1 Να υπολογιστούν οι ελεγκτές τύπου PI IMC, PID IMC, με ρύθμιση παραμέτρων IMC 2 Να γίνει προσομείωση των ελεγκτών PI IMC, PID IMC σε μοναδιαία βηματική αλλαγή α) σημείου αναφοράς και β) διαταραχής, εάν θεωρήσουμε ότι G d = G Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 1- PID-IMC στο Simulink Το σύστημα και η διαταραχή σε ανοικτό βρόχο Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 1- PID-IMC Λύση: 1 Η συνάρτηση μεταφοράς του ελεγκτή PID είναι G c (s) = K C (1 + 1 τ i s + τ D s) (11) 2 Για τον υπολογισμό παραμέτρων ελεγκτών χρησιμοποιείται ο πίνακας 2 Έτσι για τους PI IMC, PID IMC επιλέγονται αντίστοιχα οι περιπτώσεις Μ, Ν 3 Η περίπτωση Μ δίνει για τον PI IMC τις τιμές K c = 2τc+θ (τ c +θ) 2, τ i = 2τ c + θ 4 Έτσι για τ c = 8 έχουμε K C = 0493, τ i = 234 και για τ c = 15 έχουμε K p = 0373, τ I = 374 Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 1- PID-IMC 1 Η περίπτωση Ν δίνει για τον PID IMC τις τιμές K C = 2τ c+θ (τ c, τ +θ/2) 2 i = 2τ c + θ, τ D = τ cθ+θ 2 /4 2τ c+θ 2 Έτσι για τ c = 8 έχουμε K C = 0857, τ I = 234, τ D = 312 και 3 για τ c = 15 έχουμε K C = 0535, τ I = 374, τ D = 333 Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 1- PID-IMC Παρουσιάζονται οι αποκρίσεις ελεγκτών PI IMC, PID IMC για τ C = 8 Δίνεται μοναδιαία βηματική αλλαγή α) σημείου αναφοράς σε χρόνο t = 0 και β) διαταραχής σε χρόνο t = 150s, θεωρώντας G d = G Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 1- PID-IMC Αποκρίσεις ελεγκτών PI IMC, PID IMC για τ C = 15 Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 1- PID-IMC Συμπεράσματα: Παρατηρούμε ότι ο ελεγκτής με τ c = 15 δίνει πιό αργή και λιγώτερο ταλαντωτική απόκριση Επίσης η υπερακόντιση είναι μικρότερη για αλλαγή στο σημείο αναφοράς και η μέγιστη απόκλιση είναι μεγαλύτερη μετά την διαταραχή Ο ελεγκτής PID IMC έχει καλύτερη απόκριση στη διαταραχή, εφόσον είναι μικρότερη η μέγιστη απόκλιση Επιπλέον, ο ελεγκτής PID IMC έχει μικρό χρόνο αποκατάστασης για τ c = 8, έχοντας έτσι την καλύτερη απόδοση από τους 5 ελεγκτές που συγκρίθηκαν Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 1- PID-IMC στο Simulink Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2-Σχεδιασμός ελεγκτή IMC εναλλάκτη Εξετάζεται σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας νερού σε εναλλάκτη αντιρροής (heat exchanger), με ατμό Η παροχή ατμού γίνεται μέσω ρυθμιστικής αναλογικής βαλβίδας και η θερμοκρασία του εξερχόμενου νερού μετριέται με αισθητήριο θερμοκρασίας Ο Η/Υ ελέγχου μεταβάλει τη θέση της ρυθμιστικής βαλβίδας ώστε να διατηρεί το εξερχόμενο νερό την θερμοκασία του στην τιμή αναφοράς Controller e Control computer Σ Tref D/A A/D command u Sensor Measurement Steam In Valve Actuator Water Out Heat Exchanger Water In Steam Out System Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2-Σχεδιασμός ελεγκτή IMC εναλλάκτη Controller e Control computer Σ T ref D/A A/D command u Sensor Measurement Steam In Valve Actuator Water Out Heat Exchanger Water In Steam Out System Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2-Σχεδιασμός ελεγκτή IMC εναλλάκτη Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2-Σχεδιασμός ελεγκτή IMC εναλλάκτη Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2- PID-IMC Στο Σχήμα φαίνεται η απόκριση συστήματος ανοιχτού βρόχου σε μοναδιαία βηματική είσοδο, όπως μετρήθηκε πειραματικά Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2- PID-IMC Ζητείται: α) να σχεδιαστεί ελεγκτής IMC για έλεγχο της θερμοκρασίας, β) να συγκριθούν ελεγκτές IMC, PID_IMC, classical Θα γίνουν οι ακόλουθες ενέργειες: Για τον υπολογισμό ελεγκτή IMC, απαιτείται η ύπαρξη κατάλληλου μοντέλου της διεργασίας Έτσι κατ αρχήν θα εκτιμηθεί το μοντέλο του συστήματος Κατόπιν θα υπολογιστούν οι παράμετροι ελεγκτή IMC και θα υλοποιηθεί η διάταξη ελέγχου Τέλος, για σύγκριση θα υπολογιστεί επίσης κλασσικός ελεγκτής Η επίδοση των ελεγκτών θα αξιολογηθεί με εισαγωγή αλλαγών στις τιμές αναφοράς καθώς και στην εξωτερική διέγερση Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2- PID-IMC Η διατύπωση μοντέλου μιας διεργασίας από την πειραματική καμπύλη απόκρισης είναι γνωστή ως μέθοδος καμπύλης απόκρισης (process reaction curve method) Παρατηρώντας την πειραματική καμπύλη απόκρισης του συστήματος θεωρούμε ότι το σύστημα περιγράφεται επαρκώς από συνάρτηση μεταφοράς P πρώτης τάξης με καθυστέρηση (First Order Plus Time Delay-FOPTD), με μορφή P(s) = y(s) u(s) = K e θs τ s + 1 (12) Οι παράμετροι K, θ, τ προσδιορίζονται με γραφικό τρόπο Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2- PID-IMC Το κέρδος Κ στην μόνιμη κατάσταση υπολογίζεται ως K = Y u = 35 0 = 35 (13) 1 0 Η καθυστέρηση ευρίσκεται απο την καμπύλη ως θ = 3 sec Η σταθερά χρόνου τ αντιστοιχεί σε απόκριση ίση με το 632% της τελικής τιμής στην μόνιμη κατάσταση, δηλ y 632 = 0632 35 = 2212 Έτσι τ = 13 3 = 10 sec Ο χρόνος για να φτάσει το σύστημα στην μόνιμη κατάσταση αντιστοιχεί σε περίπου 4τ Το σύστημα τελικά προκύπτει ως P = 35 e 3s 10 s + 1 (14) Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2- PID-IMC Υπολογίζεται ελεγκτής IMC ως ακολούθως Q(s) = ˆP 1 f = 10s + 1 1 (15) 35 2s + 1 όπου η παράμετρος του φίλτρου είναι λ = 2, για n = 1 Στο Σχήμα φαίνεται η απόκριση συστήματος κλειστού βρόχου σε βηματική είσοδο αναφοράς στην θερμοκρασία, από 40 0 C σε 35 0 C Παράμετρος είναι το τ c Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2- PID-IMC Στο Σχήμα φαίνεται η απόκριση συστήματος κλειστού βρόχου σε διαταραχή στη θερμοκρασία με σταθερή είσοδο αναφοράς στους 35 0 C Παράμετρος είναι το τ c Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2- PID-IMC Τέλος στο Σχήμα 43 φαίνεται η απόκριση συστήματος κλειστού βρόχου σε διαταραχή στη θερμοκρασία με σταθερή είσοδο αναφοράς στους 35 0 C, με χρήση ελεγκτων IMC, PID_IMC Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2- PID-IMC Για να υπολογιστεί ένας ισοδύναμος κλασσικός ελεγκτής C γίνονται τα ακόλουθα Ο συνδιασμός των Q, ˆP που αποτελούν μέρος του συστήματος ελέγχου σε ένα στοιχείο C, δίνει κλασσικό σύστημα ελέγχου με ανατροφοδότηση, όπου C(s) = Σχήμα 15 Q 1 ˆPQ, Πρώτα αντικαθιστούμε τον παράγοντα καθυστέρησης e θs με κατάλληλη συνάρτηση μεταφοράς (βλέπε ένθετο Προσέγγιση Pade ) Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2- PID-IMC - Προσέγγιση Pade Για να υπάρχει σε συνάρτηση μεταφοράς που περιέχει παράγοντα καθυστέρησης δυνατότητα εκτέλεσης πράξεων, πρέπει να εξαλειφθεί ο παράγοντας αυτός, ως ακολούθως Αντικαθιστούμε τον παράγοντα καθυστέρησης e θs με το ανάπτυγμα του σε σειρά Taylor, κρατώντας μόνο τον όρο 1ης τάξης e θs 1 θ 2 s 1 + θ 2 s (16) Η προσέγγιση της εξ 16 είναι γνωστή ως προσέγγιση παράγοντα καθυστέρησης e θs με παράγοντα Pade 1ης τάξης Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2- PID-IMC Στην περίπτωση του εναλλάκτη, η παραπάνω προσέγγιση Pade δίνει e θs 1 θ 2 s 1 + θ 2 s = 1 3 2 s 1 + 3 2 s (17) Έτσι η συνάρτηση του συστήματος P γίνεται P(s) = 35 10s + 1 Κατόπιν υπολογίζεται ο κλασσικός ελεγκτής ως 1 3 2 s 1 + 3 2 s (18) C = Q 1 PQ = 15s2 + 115s + 1 105s 2 + 175s (19) Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2- PID-IMC Απόκριση συστήματος κλειστού βρόχου σε αλλαγή στην είσοδο αναφοράς, με χρήση ελεγκτων IMC, PID_IMC, classic φαίνεται στο Σχήμα Όπως διαπιστώνεται, οι αποκρίσεις των IMC, classic είναι παρόμοιες, όχι όμως και του PID Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2- PID-IMC Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017

Άσκηση 2- PID-IMC Γ Παπαλάμπρου-ΣΑΕ ΣΑΕ 2016-2017