Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2016-2017 Εισαγωγή στα Συστήματα Ελέγχου-Εφαρμογές Δρ. Γεώργιος Παπαλάμπρου Επίκ. Καθηγητής ΕΜΠ Εργαστήριο Ναυτικής Μηχανολογίας george.papalambrou@lme.ntua.gr ΕΜΠ/ΣΝΜΜ Εργαστήριο Ναυτικής Μηχανολογίας
Περιεχόμενα Εισαγωγή στα Συστήματα Ελέγχου Εφαρμογές MATLAB/Simulink
Εισαγωγή στα Συστήματα Ελέγχου
Τι είναι «Έλεγχος (Control)»? Έλεγχος είναι χρήση διαφόρων διατάξεων που οδηγούν ή ρυθμίζουν τη συμπεριφορά άλλων διατάξεων ή συστημάτων.
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)
Μία Πλήρης Διάταξη Ελέγχου Σύστημα Ελεγκτής Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray
Βασική Διάταξη Ελέγχου: Κλειστός Βρόχος Στόχοι: Ευστάθεια (stability), Επιδόσεις (performance), Ευρωστία (robustness) Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray
Θεωρίες Ελέγχου στην Ναυπηγική Από: Lecture Notes TTK 4190, Guidance and Control, NTNU, Trondheim, NO, 2006
Τύποι Ελέγχου Έλεγχος Ανοιχτού Βρόχου (χωρίς ανατροφοδότηση) Έλεγχος Κλειστού Βρόχου (με ανατροφοδότηση) Από: Modern control systems, R.Dorf,R. Bishop, Prentice Hall, 2001
Ένας Διαφορετικός Ελεγκτής: Fuzzy Logic Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray
Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray
Ανάστροφο Εκκρεμές (inverted pendulum)- (Εργαστηριακή Άσκηση στη ΣΝΜM)
Ανάστροφο Εκκρεμές ΕΝΜ
Ανάστροφο Εκκρεμές ΕΝΜ
Ανάστροφο Εκκρεμές Berkeley 1 3 βαθμίδες Αρχείο: glip3_2.mpeg
Εφαρμογές
Ιστορική Αναδρομή Συστημάτων Ελέγχου Κλασσικός Έλεγχος Πεδίο συχνότητας, Διαγράμματα Bode, Nyquist (1935-1950) Hendrick Bode (1905-1982) Frequency response Harry Nyquist (1889-1976) Frequency response, negative feedback Μοντέρνος Έλεγχος Πεδίο χρόνου, Χώρος Κατάστασης (1950-σήμερα) Aleksandr Lyapunov (1857-1918) Stability of systems, equilibria, nonlinear control Lev Pontryagin (1908-1988) Optimal control Richard Bellman (1920-1984) Dynamic programming, optimal control Rudolf Kalman (1930-2016) State space, Kalman Filter Petar Kokotovic (1936-) Stability, nonlinear control
Ιστορική Αναδρομή Συστημάτων Ελέγχου Εύρωστος Έλεγχος (1980-σήμερα) George Zames (1934-1997) 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
Οι Πρώτες Εφαρμογές Ελέγχου Ρυθμιστής στροφών του Watt (1788) Φυγοκεντρικός ρυθμιστής στροφών ατμομηχανής Μειώνει τις επιδράσεις από τις διακυμάνσεις του φορτίου (απόρριψη διαταραχών)
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)
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
Έλεγχος, Διαγνωστική Κινητήρα Αεροσκάφους http://www.grc.nasa.gov/www/cdtb/aboutus/fundamentals_of_engine_control.pdf
Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Αυτοκινητοβιομηχανία: Ηλεκτρονικά Συστήματα Από: Controls Primer Fall 2001, Caltech, R. Murray Γερουσ. Ed. Muskie/ Νόμος για το Περιβάλλον
Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Αυτοκινητοβιομηχανία: Υβριδικό ηλεκτρικό όχημα Source:SAE Automotive Engineering Magazine, Eaton, NREL team to reduce hybrid-electricvehicle battery size, 8/2012
Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Υβριδικό ηλεκτρικό όχημα GM Voltec 2016
Υβριδική Ηλεκτρική Πρόωση ΕΝΜ Hybrid Integrated Propulsion Powertrain (HIPPO) Πειραματική Κλίνη Δοκιμών ΕΝΜ: Caterpillar 3176B marine diesel engine; Ηλεκτρικός Κινητήρας & Frequency inverter; Πέδη Νερού
Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Σύστημα Ελέγχου Boiler-Steam Generator Conventional steam turbine Από: Modern control systems, R.Dorf,R. Bishop, Prentice Hall, 2001
Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Αυτόματος Πιλότος Πορείας Πλοίου Από: Lecture Notes TTK 4190, Guidance and Control, NTNU, Trondheim, NO, 2006
Ναυπηγική Από: Lecture Notes TTK 4190, Guidance and Control, NTNU, Trondheim, NO, 2006
Ναυπηγική: MARES AUV Από: Underwarer Vehicles, editor A. Inzartsev, Intech, 2009
Ναυπηγική: Fin Stabilizers Από: Sperry Marine Northrop Grumman 2010, http://www.sperrymarine.northropgrumman.com
Ναυπηγική: Μηχανικό Ψάρι (Robotic fish) Michigan State University Robotic Fish GhostSwimmer Spy Vehicle http://thefutureofthings.com/pod/5464/ ghostswimmer-spy-vehicle.html http://www.apl.washington.edu/projects/seaglider/summary.html Seagliders-University of Washington's Applied Physics Laboratory
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. http://www.wartsila.com
Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Σύστημα Ελέγχου Boiler-Steam Generator Conventional steam turbine Από: Modern control systems, R.Dorf,R. Bishop, Prentice Hall, 2001
Ναυπηγική: Εναλλακτικές Πηγές Ενέργειας Από: ENERGY MANAGEMENT, OPTIONS FOR CONSIDERATION MANAGING CARBON EMISSIONS AND GHGS IN SHIPPING, TEUS VAN BEEK, WÄRTSILÄ NETHERLANDS, 2010
Σύγχρονες Εφαρμογές Ελέγχου Αεροδιαστημική (fly-by-wire) Highly Maneuverable Aircraft Technology (HiMAT), NASA Αεροσκάφος με τηλεχειρισμό μη επανδρωμένο (1979-1983) 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
Αεροναυπηγική F-35 Lightning II Short Takeoff/Vertical Landing (STOVL) (Pratt & Whitney F135 propulsion system, by Lockheed Martin & BAE Systems & Northrop Grumman)
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.
Αεροδιαστημική Σύνδεση ATV με ISS
Αεροδιαστημική Σύνδεση ATV με ISS - Διαστημόπλοιο
Αεροδιαστημική Σύνδεση ATV με ISS - Τροχιά
Αεροδιαστημική ATV / ISS Εφαρμόστηκαν μέθοδοι Hinfinity για έλεγχο και ανάλυση συστήματος ελέγχου θέσης του ATV
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.
Αεροδιαστημική Apollo11, Σελήνη 1969 - 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
Αεροδιαστημική Apollo11, Σελήνη 1969 - 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
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
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: http://www.ni.com/, C: http://www.emersonnetworkpower.com, D: dspace.com
Υπολογιστικές Πλατφόρμες Engine Control Unit dspace microautobox Οθόνες χειρισμού συστήματος ελέγχου κινητήρα CAT στο ΕΝΜ
Αρχιτεκτονική Εγκατάστασης Ελέγχου Δίκτυο Automotive CAN (Controller Area Network)
Μελέτη Συστήματος Ελέγχου Passino, K., Biomimicry for Optimization, Control, and Automation, Springer-Verlag London Limited, 2005
Μελέτη Συστήματος Ελέγχου Αναγνώριση Συστημάτων (System Identification): Δημιουργία μαθηματικών μοντέλων για χρήση σε συστήματα ελέγχου βασισμένη σε πειραματικά δεδομένα
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.
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)
Βιβλιογραφία Γενικά Διαθέσιμο στο Διαδίκτυο: http://www.cds.caltech.e du/~murray/amwiki/inde x.php/main_page Robust Control http://www.nt.ntnu.no/users/ skoge/book/ http://www.ece.lsu. edu/kemin/essential s.htm Διαθέσιμο στο Διαδίκτυο: http://www.mathworks.com/help/ robust/index.html
MATLAB/Simulink
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
MATLAB/Simulink Robust Control toolbox Σχεδιασμός robust ελεγκτών, προσομοίωση, ανάλυση, κλπ