Ingineria reglării automate Curs - anul IV Specializarea: Automatica si Informatica Industriala Prof. dr. ing. Corneliu Lazar
1. Introducere Inginerie Inginer Ingineria reglării automate
1.1 Motivaţia ingineriei reglării Ingineria reglării automate istorie de lunga durata Antichitate: ceasul cu apa Ktesibios i.hr. Evul mediu: controlul temperaturii Cornelius Drebbel (1572-1663) Revoluţia industriala motorul cu abur - putere mare ce trebuie controlata - governor primul regulator Watt (1788) Războaiele mondiale - sisteme de ghidare si urmărire -teoria clasica a reglării: Bode, Nyquist, Nichols, Evans
Ceasul cu apa Governor Ktesibios - i.hr. James Watt - 1788
1.1 Motivaţia ingineriei reglării Zborurile cosmice din anii 60 70 - sisteme de reglare moderne care apoi au fost diseminate: - producerea bunurilor de larg consum - aplicaţii in medicina - Teoria moderna a reglării (bazata pe stare): Wiener, Kalman
1.1 Motivaţia ingineriei reglării Sfârşitul secolului XX - reglarea automata element esenţial al societăţii moderne - automatizarea clădirilor si a automobilelor - sisteme complexe de conducere: - procese chimice, aeronave, procese de producţie - tehnologii cutting edge : - utilaje forte de mii de tone - viteze foarte mari 120 km/h - tolerante de ordinul μm industria aluminiului (5 μm) - aplicaţii in afara industriei: - sisteme biologice, reţele de comunicaţii, sisteme economice
1.1 Motivaţia ingineriei reglării Ingineria reglării automate proiectarea, implementarea si mentenanaţa sistemelor de reglare automata Succesul reglării utilizarea mai multor discipline - modelarea: captarea caracteristicilor fizice si chimice ale proceselor - măsurarea variabilelor din proces - execuţia acţiunilor de reglare - comunicaţii: transmisia datelor - computing: realizarea unor taskuri complexe pe baza datelor măsurate pentru a acţiona asupra procesului - interfaţarea: diferitele componente ale sistemului de regalare pot fi monitorizate in mod unitar
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare Etape: modelare, proiectare, simulare, testare si implementare Părţile componente ale proiectării: 1. Partea fixata procesul reglat 2. Obiective 3. Senzori 4. Elemente de execuţie 5. Comunicaţii 6. Computing 7. Arhitecturi si interfaţare 8. Algoritmi de reglare 9. Perturbaţii si incertitudini
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare 1.2.1 Partea fixata Caracterizarea fizica a procesului Cunoştinţe elementare privind: - balanţa energetica - balanţa maselor - circulaţia fluxurilor de materiale in sistem - limitări fizice specificarea performantelor Modelarea fizica a proceselor Construire unui model al procesului primul pas in proiectare Identificarea sistemelor
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare 1.2.2 Obiective Formularea obiectivelor reglării Scopul urmărit: - reducerea energiei consumate - creşterea randamentului Variabilele reglate pentru atingerea obiectivelor Nivelul de performanta necesar: acurateţe, rapiditate
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare 1.2.3-4 Senzori - Elemente de execuţie (EE) Daca poţi măsura ceva, poţi controla acel lucru. Tehnologia senzorilor îmbunătăţirea performantelor Cum pot fi obţinute informaţii despre mărimi ce nu pot fi măsurate Senzori si traductoare Senzorul raportează despre starea procesului EE cum acţionează asupra procesului ca sa-l conduci dintr-o stare in alta stare Calitatea reglării EE Echipamente si structuri convenţionale de reglare
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare 1.2.5 Comunicaţii Interconectarea senzorilor si a EE sistem de comunicaţii Proces sute de semnale ce trebuie transmise la distanta Proiectarea sistemului de comunicaţii cu protocoalele asociate calitatea reglării Cerinţe speciale pentru sistemele de comunicaţii tratarea întârzierilor (nedeterministe) Transmisia datelor, Comunicaţii in sistemele de conducere
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare 1.2.6 Computing Conexiunea dintre senzor si EE via un echipament de calcul (computer) Sistem de reglare automata (SRA): echipamente de calcul: - DCS Distributed Control Systems - PLC Programmable Logic Controllers - PC Personal Computer Determinism in timp sisteme de operare in timp real multi-tasking Precizia numerica CACE: medii de programare integrate modelarea, proiectarea, simularea si implementarea SRA Programarea aplicaţiilor de timp real
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare 1.2.7 Arhitecturi si interfaţare Reglarea centralizata toate semnalele sunt aduse intr-un punct central - complexitate, cost, restricţii de timp in calcule, întreţinere, fiabilitate Reglarea distribuita partiţionarea SRA in subsisteme Interfaţarea cu diferite subcomponente Interfeţe speciale pentru diferite componente standardizarea interfeţelor
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare 1.2.7 Arhitecturi si interfaţare nivel descriere scop timp proiectare 4 optimizare la nivel de proces comenzi client si programarea materialelor zilnic optimizare statica 3 optimizare staţionara (nivel subsistem) funcţionarea eficienta a unui subsistem la fiecare ora optimizare statica 2 reglare la nivelul operaţional (nivel subsistem) realizarea referinţelor 3 la fiecare minut reglare: - MVa - MBPC 1 reglare la nivelul EE realizarea mărimii de execuţie 2 la fiecare secunda reglare: SISO (PID)
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare 1.2.8 Algoritmi de reglare Algoritmi de reglare inima ingineriei reglării conectează senzorii cu EE tema centrala a cursului: Ingineria Reglării Automate - IRA
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare 1.2.9 Perturbaţii si incertitudini SRA reale zgomote si perturbaţii externe cu impact asupra performantelor Procese reale modele complexe IRA modele relativ simple Incertitudini erori de modelare
1.3 Tehnici utilizate in proiectarea SRA 1.3.1 Date iniţiale Caracteristicile procesului reglat - date despre IT, EE si Tr (partea fixata - PF) - model matematic Performantele impuse - de comportare: performante de regim tranzitoriu si de regim staţionar - obligatorii: stabilitatea si rezolvarea problemei reglării - de realizabilitate: limitări fizice existente restricţii
1.3 Tehnici utilizate in proiectarea SRA 1.3.2 Tehnici de proiectare p n r + e u R P F y R e g u la to r P r o c e s Sisteme de reglare hibride (i) r ( t ) + R e g u la t o r e ( t ) e ( k ) u ( k ) u ( t ) y ( t ) C A N RN C N A PF CAN- Regulator numeric- CNA Regulator analogic (PID) f e mari E c h ip a m e n t n u m e r i c (ii) r ( k ) e ( k ) u ( k ) u ( t ) y ( t ) y ( k ) + R N C N A PF C A N P r o c e s d is c r e t iz a t CAN- Proces- CNA Proces discretizat f e mici 1/(5 50)
1.3 Tehnici utilizate in proiectarea SRA 1.3.2 Tehnici de proiectare (i) Tehnici pentru proiectarea SRA liniare, continue si monovariabile 1. Tehnici convenţionale: - alocarea poli-zerouri - metode frecvenţiale 2. Acordarea optima a regulatoarelor 3. SRA cu structura speciala
1.3 Tehnici utilizate in proiectarea SRA 1.3.2 Tehnici de proiectare (ii) Tehnici pentru proiectarea sistemelor de reglare numerica (SRN) 1. Formalismul matematic al sintezei sistemelor continue ipoteza de cvasicontinuitate algoritmul de reglare numerica prin discretizare 2. Formalismul matematic specific sistemelor numerice transformări complexe (Ζ) tehnici de sinteza specifice sistemelor continue (alocare) 3. Formalismul matematic bazat pe ecuaţii cu diferente finite numai pentru SRN
1.3 Tehnici utilizate in proiectarea SRA 1.3.1 Tehnici de proiectare Algoritmi de reglare numerica 1. Algoritmi obţinuţi prin discretizarea legilor de reglare continue (PID) 2. Algoritmi obţinuţi prin proiectarea cu metoda alocării 3. Algoritmi dead beat 4. Algoritmi noninteractivi pentru SRN multivariabile 5. Algoritmi de reglare după stare 6. Algoritmi de reglare cu predicţie
Bibliografie 1. Lazar C., Vrabie D., Carari S. (2004). Sisteme automate cu regulatoare PID, Editura MATRIXROM, Bucureşti. 2. Lazăr C., O. Păstrăvanu, E. Poli, Fr. Sghonberger (1996). Conducerea asistata de calculator a proceselor tehnice proiectarea si implementarea algoritmilor de reglare numerica. Editura MATRIXROM, Bucureşti. 3. Lazăr C. (1998). Ingineria reglării automate proiectarea sistemelor de reglare automata liniare, continue si monovariabile. Rotaprint, U.T. Iaşi. 4. Lazăr C. (1995). Ingineria reglării automate proiectarea sistemelor de reglare numerica. Rotaprint, U.T. Iasi. 5. Lazăr C. (1999). Conducerea predictiva a proceselor cu model cunoscut. Editura MATRIXROM, Bucureşti. 6. Dumitrache I. (2005), Ingineria reglarii automate. Editura Politehnica Press, Bucureşti. 7. Ionescu V. (1985). Teoria sistemelor liniare. Editura Didactica si Pedagogica, Bucureşti. 8. Tertisco M., D. Popescu, B. Jora, I. Russ (1991). Automatizări industriale continue. Editura Didactica si Pedagogica, Bucureşti 9. Goodwin C., G., S. F. Graebe, M. E. Salgado (2001). Control System Design. Prentice Hall, New Jersey 10. Grimble M. J. (2001). Idustrial Control Systems Design. Wiley,Chichester.