Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου

Σχετικά έγγραφα
Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού

Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο

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

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

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

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

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

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ BODE ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ

ΔΥΝΑΜΙΚΗ & ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΠΑΝΑΛΗΨΗΣ

Σ εδιασμός Συστημάτ ν Ε έ ου

ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΚΑΙ ΤΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ

Τμήμα Ηλεκτρονικής. Θεωρία Ευφυών Συστημάτων Ελέγχου. Περίγραμμα μαθήματος

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

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

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

Βιομηχανικοί Ελεγκτές

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

Ανάλυση Συστηµάτων Αυτοµάτου Ελέγχου: Αρµονική Απόκριση & ιαγράµµατα Bode

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Βαθμονόμηση PID Ρυθμιστών

Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 9 η : Σχεδίαση ελεγκτών με το γεωμετρικό τόπο ριζών. Παναγιώτης Σεφερλής

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

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

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

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου-Εργαστήριο

Παραρτήματα. Παράρτημα 1 ο : Μιγαδικοί Αριθμοί

Έλεγχος Κίνησης

Έλεγχος Κίνησης

Η Βασική Δομή Συστημάτων Ελέγχου Κίνησης

Εισαγωγικές έννοιες θεωρίας Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου

ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ

Ακαδηµαϊκό Έτος , Εαρινό Εξάµηνο ιδάσκων Καθ.: Νίκος Τσαπατσούλης

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών (h>p://)

Βαθμολογία Προβλημάτων Θέμα (μέγιστος βαθμός) (βαθμός εξέτασης)

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Εισαγωγικές έννοιες θεωρίας Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου

Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 12 η : Συστήματα ελέγχου πολλαπλών βρόχων ανάδρασης. Παναγιώτης Σεφερλής

Εισαγωγικές έννοιες θεωρίας Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου

Βαθµολογία Προβληµάτων ΘΕΜΑ 1 ΘΕΜΑ 2.1 ΘΕΜΑ 2.2 ΘΕΜΑ 2.3 ΘΕΜΑ 3.1 ΘΕΜΑ 3.2 ΘΕΜΑ 4 ΘΕΜΑ 5.1 ΘΕΜΑ 5.2. G(s)

Δυναμική Μηχανών I. Αριθμητική Επίλυση Δυναμικών Συστημάτων στο Περιβάλλον MATLAB και Simulink

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:

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 10. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Controllers - Eλεγκτές

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

Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 11 η : Σχεδίαση ελεγκτών στο πεδίο του χώρου μεταβλητών κατάστασης. Παναγιώτης Σεφερλής

Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 5 η : Απόκριση Συχνότητας Δυναμικών Συστημάτων. Παναγιώτης Σεφερλής

ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ

Λύσεις θεμάτων Α εξεταστικής περιόδου εαρινού εξαμήνου (Ιούνιος 2015)

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

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου II

FORTRAN και Αντικειμενοστραφής Προγραμματισμός

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

Προγραμματισμός Ηλεκτρονικών Υπολογιστών 2 - Εργαστήριο

ΔΥΝΑΜΙΚΗ & ΕΛΕΓΧΟΣ - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ

Έλεγχος Κίνησης

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

ΣΑΕ 1. Σημειώσεις από τις παραδόσεις. Για τον κώδικα σε L A TEX, ενημερώσεις και προτάσεις:

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. 3o Εργαστήριο Σ.Α.Ε

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ BODE ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΟ ΤΕΥΧΟΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΩΝ

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

Ο ελεγκτής PID χοντρικά...

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

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΙΙ

Βιομηχανικοί Ελεγκτές

Τοποθετήστε τη δισκέτα στο drive B και σε περιβάλλον MS-DOS πληκτρολογήστε: B:

ΠΡΟΒΛΗΜΑ (Σεπτέμβριος 2008)

Βιομηχανικοί Ελεγκτές

Ψηφιακός Έλεγχος. 12 η διάλεξη Ψηφιακός έλεγχος τεχνητού χεριού. Ψηφιακός Έλεγχος 1

ΜΕΛΕΤΗ Σ.Α.Ε. µε χρήση του CONTROL SYSTEM TOOLBOX του MATLAB

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου ΙΙ

MATLAB. Εισαγωγή στο SIMULINK. Μονάδα Αυτόματης Ρύθμισης και Πληροφορικής

. Οι ιδιοτιμές του 3 3 canonical-πίνακα είναι οι ρίζες της. , β) η δεύτερη είσοδος επηρεάζει μόνο το μεσαίο 3 3 πίνακα και

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

Ψηφιακός Έλεγχος. 10 η διάλεξη Ασκήσεις. Ψηφιακός Έλεγχος 1

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

Κεφάλαιο 4 Σχεδίαση Συστηµάτων Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές - Συνεχής Σχεδίαση

(είσοδος) (έξοδος) καθώς το τείνει στο.

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου ΙΙ

Ηλεκτρονική ΙΙΙ Παύλος - Πέτρος Σωτηριάδης. Ανάδραση μέρος 2 ο. Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών - Μηχανικών Υπολογιστών

Ευστάθεια Συστηµάτων Αυτοµάτου Ελέγχου: Αλγεβρικά κριτήρια

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου

ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 8. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

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

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Δυναμική Μηχανών I. Συνάρτηση Απόκρισης Συχνότητας

Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχ/κών και Μηχ/κών Υπολογιστών, Ε.Μ.Π., Ακαδημαϊκό Έτος , 8ο Εξάμηνο. Ρομποτική II. Ευφυή και Επιδέξια Ρομποτικά Συστήματα

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου-Εργαστήριο

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

ΑΕΝ / ΑΣΠΡΟΠΥΡΓΟΥ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ. Σημειώσεις για τη χρήση του MATLAB στα Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου

Προσομoίωση Απόκρισης Συστήματος στο MATLAB

FORTRAN & Αντικειμενοστραφής Προγραμματισμός ΣΝΜΜ 2016

Λύσεις θεμάτων εξεταστικής περιόδου Ιανουαρίου Φεβρουαρίου 2015

Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. Διάλεξη 9

FORTRAN & Αντικειμενοστραφής Προγραμματισμός ΣΝΜΜ 2016

Ευστάθεια, Τύποι συστημάτων και Σφάλματα

Transcript:

Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016 Δρ Γ Παπαλάμπρου Λέκτορας ΕΜΠ georgepapalambrou@lmentuagr Εργαστήριο Ναυτικής Μηχανολογίας (Κτίριο Λ) Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών Εθνικό Μετσοβιο Πολυτεχνείο November 2, 2015 Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Διαμόρφωση συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόχου Περιεχόμενα 1 Διαμόρφωση συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόχου 2 Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Σχεδιασμός συστήματος ελέγχου Γενικά υπάρχουν αρκετές μεθοδολογίες σχεδιασμού ελεγκτών: lead/lag, PID, state feedback, adaptive, MPC, εύρωστου ελέγχου (robust), IMC, κλπ Μία βασική ταξινόμηση στις μεθόδους: Διαμόρφωση συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόχου L L, S, T βελτιστοποίηση νόρμας H Λαμβάνοντας υπόψη την ασάφεια μοντέλου κατά τον σχεδιασμό έλεγχος μ-σύνθεσης Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Ελεγκτές Loop Shaping Στην κλασσική προσέγγιση, λέγοντας διαμόρφωση βρόχου (Loop shaping) εννοούμε την διαδικασία σχεδιασμού ελεγκτή όπου διαμορφώνεται το μέτρο της συνάρτησης L(s) = K(s)G(s) ανοιχτού βρόχου Γενικά οι απαιτήσεις για το L είναι πολλαπλές και συχνά αντιφατικές: Επιδόσεις, απόρριψη διαταραχών: μεγάλο L Επιδόσεις, παρακολούθηση αναφοράς: μεγάλο L Σταθεροποίηση ασταθούς συστήματος: μεγάλο L Μείωση θορύβου: μικρό L Μικρό σήμα ελέγχου: μικρό K και L Ευστάθεια: μικρό L Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Ελεγκτές Loop Shaping Τα παραπάνω ικανοποιούνται με μεγάλο L(jω) σε χαμηλές συχνότητες και μικρό L(jω) σε υψηλές, πάνω από την συχν crossover Όμως παράγοντες όπως η ύπαρξη καθυστερήσεων, μηδενιστών στο δεξίο ημιεπίπεδο, περιορισμοί στην δράση ελέγχου και δυναμική σε υψηλές συχνότητες που δεν λαμβάνεται υπόψη στο μοντέλο του συστήματος, αναγκάζουν το κέρδος βρόχου να πάρει τιμές κάτω της μονάδας σε ορισμένες συχνότητες Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Ελεγκτές Loop Shaping Θεωρούμε ως ω c τη συχνότητα crossover που έχουμε L = 1 και ως ω 180 τη συχνότητα που έχουμε L= 180 0 Στις υψηλές συχνότητες, η κλίση λέγεται roll-off rate Γενικά ισχύει για την μορφή της L: Ο ρυθμός μείωσης της L είναι κλίση συνήθως 1 (δηλ 20 db/decade) Γενικά είναι επιθυμητό να υπάρχει κλίση 1 στην περιοχή crossover, ω c, και κλίση 2 πέρα από αυτή την περιοχή Ο σχεδιασμός της L(s) είναι κρίσιμος και δυσκολότερος στην περιοχή crossover, δηλαδή μεταξύ ω c και ω 180 Για ευστάθεια, είναι επιθυμητό να υπάρχει κέρδος βρόχου μικρότερο από 1 στη συχνότητα ω c, δηλαδή L(jω 180 ) < 1 Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Ελεγκτές Loop Shaping Συνήθως αρχικά τοποθετείται ολοκληρωτής στον ελεγκτή ώστε να επιτυγχάνεται επίδοση σε χαμηλές συχνότητες και παρακολούθηση αναφοράς σε υψηλές συχνότητες χωρίς απόκλιση Ακολουθείται επαναληπτικά η διαμόρφωση μορφής του L, μετά τον υπολογισμό των περιθωρίων φάσης και κέρδους, των μεγίστων των συναρτήσεων κλειστού βρόχου M S, M T και των αποκρίσεων συστήματος κλειστού βρόχου Η μέθοδος διαμόρφωσης της συνάρτησης εφαρμόζεται δύσκολα σε πολύπλοκα συστήματα Σε μια τέτοια περίπτωση πλέον κάποιος μπορεί να εφαρμόσει την μέθοδο H Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Διαμόρφωση συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόχου Συνάρτηση μεταφοράς ανοιχτού βρόχου-παράδειγμα 1 Παράδειγμα: ελεγκτής για το αεροσκάφος HiMat στο MATLAB Robust Control Toolbox Demos Loop Shaping of HIMAT Pitch Axis Controller Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Παράδειγμα 2: Loop Shaping Θεωρούμε τη συνάρτηση μεταφοράς G(s) = 3( 2s + 1) (5s + 1)(10s + 1) (1) Σκοπός είναι ο σχεδιασμός ελεγκτή με μεθόδους κλασσικού ελέγχου Είναι επιθυμητές οι παρακάτω προδιαγραφές, για το (τελικό) σύστημα κλειστού βρόχου 1 Σφάλμα μόνιμης κατάστασης ίσο με μηδέν 2 Χρόνος ανύψωσης (rise time) ίσος με 5 sec 3 Υπερακόντιση (overshoot) ίση με 20 % 4 Περιθώριο κέρδους GM > 2 και Περιθώριο φάσης PM > 30 0 Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Παράδειγμα 2 Loop Shaping Θα σχεδιαστεί ελεγκτής με την μέθοδο Loop shaping, για την συνάρτηση μεταφοράς G(s) Η μορφή του ελεγκτή επιλέγεται να είναι K(s) = K c (10s + 1)(5s + 1) s(2s + 1)(033s + 1), K c = 005 (2) Το κέρδος K c επιλέγεται έτσι ώστε να έχουμε αποδεκτό περιθώριο κέρδους και φάσης Η κλίση της L είναι 1 μέχρι τα 3 rad/s, όπου και αλλάζει σε 2 Επίσης ω c = 015 rad/s και ω 180 = 043 rad/s Ο ελεγκτής έχει μηδενιστές στα σημεία των πόλων του συστήματος Αυτό γίνεται σκόπιμα, εφόσον θέλουμε συγκεκριμένη διαμόρφωση της L πριν από την συχνότητα ω c Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Διαμόρφωση συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόχου Παράδειγμα 2 Loop Shaping-απόκριση συχνότητας περιθώριο κέρδους: 292, περιθώριο φάσης: 54 0 Οι μέγιστες τιμές των συναρτήσεων κλειστου βρόχου S, T είναι 175 και 111 Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Διαμόρφωση συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόχου Παράδειγμα 2 Loop Shaping-είσοδος μοναδιαίας βαθμίδας Η απόκριση είναι πολύ βελτιωμένη σε σχέση με έναν ελεγκτή PI Στο διάγραμμα του MATLAB, με δεξί κλίκ επιλέγουμε Characteristics και Peak Response, Rise Time, Steady State, για γραφική απεικόνιση Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Ο όρος H Στα προηγούμενα είδαμε διαμόρφωση συνάρτησης ανοιχτού βρόχου, L(s) Τώρα θα δούμε εισαγωγικά την διαμόρφωση συναρτήσεων κλειστού βρόχου, όπου σχεδιάζεται ελεγκτής με κριτήρια νόρμας H Θα ξαναδούμε την μεθοδολογία πιο συστηματικά αργότερα Εδώ γίνεται σχεδιασμός ελεγκτή με συστηματικό τρόπο, όπου αφήνεται στον Μηχανικό η επιλογή βαρών (weights) για τις επιθυμητές μορφές των KS,S,T Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Διαμόρφωση συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόχου Ο όρος νόρμα H Η νόρμα H μιας συνάρτησης f(s) είναι η μέγιστη τιμή της f(s), σε συνάρτηση της συχνότητας, δηλ f(s) = max f(jω) Εναλλακτικά χρησιμοποιείται ο όρος νόρμα sup, δηλ supremum Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Σταθμισμένη Ευαισθησία Η συνάρτηση S(= (1 + KS) 1 ) είναι ένας πολύ καλός δείκτης επιδόσης συστ κλειστού βρόχου, για SISO αλλά και MIMO συστήματα Θέλουμε την S μικρή οπότε εξετάζουμε την S, χωρίς να μας απασχολεί η φάση Τυπικά χαρακτηριστικά της S είναι: 1 Bandwidth ωb (συχνότητα που η S τέμνει το μέτρο στο 0707 από κάτω) 2 Ελάχιστο σφάλμα παρακολούθησης σε ορισμένες συχνότητες 3 Μορφή της S σε ορισμένες συχνότητες 4 Μέγιστη κορυφή της S: S(jω) M Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Σταθμισμένη Ευαισθησία Το χαρακτηριστικό κορυφής εμποδίζει την ενίσχυση θορύβου σε υψηλές συχνότητες και δίνει περιθώριο ευρωστίας, τυπικά ισχύει M = 2 Αυτό γίνεται μέσω ενός άνω ορίου στο μέτρο της S ως 1 W p (s) όπου W p (s) είναι βάρος (weight) επιλογής του σχεδιαστή και με τον δείκτης P να συνδέεται με την επίδοση (performance) εφόσον η S χρησιμεύει ως δείκτης επίδοσης οπότε έχουμε S(jω) < 1 W p(s), ω W ps < 1 W p S < 1 Έχουμε έτσι τον όρο σταθμισμένη ευαισθησία W p S (weighted sensitivity), της οποίας η νόρμα H πρέπει ναναι < 1 Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Διαμόρφωση συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόχου Σταθμισμένη Ευαισθησία-Παράδειγμα Βλέπουμε απεικόνηση του αντίστροφου βάρους W p (διακεκομμένη) και συνάρτησης S (συνεχής) Φαίνεται ότι η η S ξεπερνάει το όριο 1/W p σε ορισμένες συχνότητες Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Σταθμισμένη Ευαισθησία-Επιλογές Βαρών Το σχήμα δείχνει τον αντίστροφο βάρους W p Tο βάρος W p δίνεται από την σχέση w p (s) = s/m+ω B s+ω B A Δηλ το 1/W p είναι ίσο με Α στις χαμηλές συχνότητες και M 1 στις υψηλές και η ασύμπτωτη τέμνει στο μέτρο 1 στην συχνότητα ω B, που είναι περίπου το bandwidth Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Μικτή Ευαισθησία Σε πολλές περιπτώσεις δεν αρκεί το W p S < 1 Έτσι προσπαθούμε να επηρεάσουμε και άλλες συναρτήσεις κλειστού βρόχου, όπως η T ή KS Στην περίπτωση της Τ, με άνω όριο το 1/ W T στοχεύουμε σε γρήγορο roll off της L σε υψηλές συχνότητες Στην περίπτωση επιθυμίας περιορισμού στο σήμα ελέγχου u, θέτουμε άνω όριο το 1/ W u στο μέτρο της KS Αυτά σε συνδιασμό δίνουν N = max σ(n(jω)) < 1 και [ ] wp S N = w u KS Ο συνδιασμός ονομάζεται H Μικτής Ευαισθησίας (mixed sensitivity) και ανάλογα με τις συναρτήσεις είναι τύπου S/KS ή και S/KS/T Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Παράδειγμα: Σχεδιασμός H μικτής ευαισθησίας για διεργασία με διαταραχές Μελετάται το Παράδειγμα 217 από το [1] Εξετάζεται το σύστημα G με διαταραχή G d G(s) = 200 1 10s+1, G (005s+1) 2 d = 100 Ο χρόνος είναι σε sec Εξετάζεται σχεδίαση H μικτής ευαισθησίας d 10s+1 05 r K u 1 (005s+1) 2 200 10s+1 y Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Παράδειγμα: Σχεδιασμός H μικτής ευαισθησίας Προδιαγραφές-Στόχοι συστήματος ελέγχου: Παρακολούθηση εντολής: ο χρόνος ανύψωσης (rise time) ( 90%) να είναι κάτω από 3 sec και η υπερακόντιση κάτω από 5% Απόρριψη διαταραχής: η έξοδος μετά από μοναδιαία βηματική διαταραχή να παραμένει εντός του [ 1, 1] συνέχεια και να επιστρέφει στο 0 το γρηγορότερο Περιορισμός εισόδου: το u(t) πρέπει να παραμένει εντός του [ 1, 1] συνέχεια, ώστε να αποφεύγεται κορεσμός (saturation) Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Παράδειγμα: Σχεδιασμός H μικτής ευαισθησίας Λαμβάνεται H μικτής ευαισθησίας S / KS στην οποία [ ] wp S N = w u KS Έχει γίνει κατάλληλη αλλαγή κλίμακας του συστήματος έτσι ώστε οι είσοδοι να έχουν μέγεθος 1 ή μικρότερο και γι αυτό επιλέγουμε ένα απλό βάρος εισόδου w u =1 Το βάρος επίδοσης έχει επιλεχθεί ως w p1 (s) = s/m+ω B s+ωb A, M = 15, ω B = 10, A = 10 4 Για να πάρουμε ένα σταθερό βάρος και να αποφύγουμε αριθμητικά προβλήματα στον αλγόριθμο που χρησιμοποιείται για τη σύνθεση του ελεγκτή, έχουμε μετακινήσει τον ολοκληρωτή ελάχιστα χρησιμοποιώντας μία μικρή μη μηδενική τιμή για το Α Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Παράδειγμα: Σχεδιασμός H μικτής ευαισθησίας Αυτό δεν έχει καμία πρακτική σημασία στην επίδοση του ελεγκτή Η τιμή ωb = 10 έχει επιλεγεί για να επιτύχουμε την επιθυμητή συχνότητα crossover ω c των 10 rad/s Το πρόβλημα του H μικτής ευαισθησίας λύνεται με το Robust Control Toolbox του MATLAB χρησιμοποιώντας την εντολή mixsyn(g, W S, W KS, W T ) Εναλλακτικά, μπορεί να χρησιμοπ η γενική εντολή hinfsyn(p), όπου πρώτα πρέπει να έχει σχηματιστεί το γενικευμένο σύστημα P Αυτό γίνεται με την εντολή sysic Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Παράδειγμα: Σχεδιασμός H μικτής ευαισθησίας Πρόγραμμα MATLAB για τη σύνθεση ελεγκτή H για το παράδειγμα G=tf,(200,conv,([10; 1],conv([005 ; 1],[005 ;1]))); % Plant is G M=15,; wb=10,; A=1e-4; Wp = tf ([1/M ; wb], [1 ;wb*a]); Wu = 1; % Weights for S,KS %Find H-infinity optimal controller: khinf,ghinf,gopt= mixsyn(g,wp,wu,[ ]); Marg = allmargin,(g*khinf) % Gain, phase margins Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Παράδειγμα: Σχεδιασμός H μικτής ευαισθησίας khinf είναι η ελεγκτής H, gopt είναι η νόρμα H του συστ κλειστού βρόχου Για αυτό το πρόβλημα πετύχαμε βέλτιστη νόρμα H gopt = 137, οπότε οι απαιτήσεις σταθμισμένης ευαισθησίας δεν ικανοποιούνται πλήρως Βλέπε σχεδιασμό 1 στο Bode όπου η καμπύλη για το S 1 είναι ελάχιστα πάνω από την 1/ w p1 Marg = GainMargin: 773; GMFrequency: 3544; PhaseMargin: 7109; PMFrequency: 719 Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Διαμόρφωση συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόχου Παράδειγμα: Σχεδιασμός H μικτής ευαισθησίας Αντίστροφα βάρη επίδοσης (διακεκομμένη γραμμή) και συναρτήσεις ευαισθησίας (συνεχής γραμμή) για διαφορετικές σχεδιάσεις H (1 και 2) για το σύστημα με διαταραχές Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Διαμόρφωση συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόχου Παράδειγμα: Σχεδιασμός H μικτής ευαισθησίας Βηματικές αποκρίσεις κλειστού βρόχου για διαφορετικές σχεδιάσεις H (1 και 2) για το σύστημα με διαταραχές Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Παράδειγμα: Σχεδιασμός H μικτής ευαισθησίας Παρόλα αυτά, ο σχεδιασμός είναι ικανοποιητικός με S = M S = 130, T = M T = 1, GM = 8, PM = 7119 deg και ω c = 719 rad/s και η απόκριση παρακολούθησης είναι πολύ καλή όπως φαίνεται από την καμπύλη y 1 Ωστόσο, βλέπουμε από την καμπύλη y 1 ότι η απόκριση διαταραχής είναι πολύ αργή Αν η απόρριψη διαταραχής είναι το κύριο μέλημα, προκύπτει η ανάγκη για ένα βάρος επίδοσης που καθορίζει υψηλότερα κέρδη σε χαμηλές συχνότητες Έτσι δοκιμάζουμε w p2 (s) = (s/m1/2 +ωb )2, M = 15, ω (s+ωb A1/2 ) 2 B = 10, A = 10 4 Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Παράδειγμα: Σχεδιασμός H μικτής ευαισθησίας Ο αντίστροφος αυτού του βάρους υπάρχει στο Bode και φαίνεται από τη διακεκομμένη γραμμή να ξεπερνάει σε μέτρο το 1 στη ίδια περίπου συχνότητα με το βάρος ω p1 αλλά ορίζει αυστηρότερο έλεγχο σε χαμηλότερες συχνότητες Με το βάρος ω p2 πετυχαίνουμε σχεδιασμό με βέλτιστη νόρμα H ίση με 219 και M S = 162, M T = 142, GM = 477, PM = 438 deg και ω c = 1128 rad/s Η απόκριση διαταραχής είναι πολύ καλή, ενώ η απόκριση παρακολούθησης έχει μια κάπως υψηλή υπερακόντηση (βλέπε καμπύλη y 2 ) Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Παράδειγμα: Σχεδιασμός H μικτής ευαισθησίας Συμπεράσματα: Ο σχεδιασμός 1 είναι καλύτερος για παρακολούθηση αναφοράς ενώ ο σχεδιασμός 2 είναι καλύτερος για απόρριψη διαταραχής Για την επίτευξη σχεδιασμού με καλή παρακολούθηση αναφοράς και καλή απόρριψη διαταραχών χρειαζόμαστε έναν ελεγκτή με δύο βαθμούς ελευθερίας (2DOF) Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Βιβλιογραφία SP05 : Βασική παραπομπή μαθήματος Κεφ 2: Classical Feedback Control, sec 26, 28 Τα κεφ 1-3 όπως και όλοι οι κώδικες MATLAB του βιβλίου υπάρχουν στο Internet [RobUG10]: Το documentation (on-line) του Robust Control Toolbox [SP05] Skogestad, S and Postlethwaite, I, Multivariable Control Systems, Second edition Wiley, 2005 [RobUG10] Robust Control Toolbox User s Guide, The Mathworks, 2010 Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016

Διαμόρφωση συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόχου Στο Επόμενο Μάθημα Περιορισμοί σε Συστήματα SISO Ελεγξιμότητα εισόδου-εξόδου Περιορισμοί από καθυστερήσεις, μηδενιστές, υστέρηση φάσης, ασταθείς πόλους Περιορισμοί λόγω αβεβαιότητας Παραδείγματα Γ Παπαλάμπρου-Σχεδιασμός Συστημάτων Ελέγχου (Μ4) ΔΠΜΣ Συστήματα Αυτοματισμού 2015-2016