Arto Salminen,

Transkriptio

1 8. Luento: Laitteiston ohjaaminen Arto Salminen,

2 Agenda Johdanto Säätäjiä P-, I-,D-, PI-, PD-, ja PID-säätäjä Säätäjän valinta ja virittäminen Mittaaminen

3 Johdanto Tavoitteena: tunnistaa ja ymmärtää säätämiseen liittyviä ongelmia, saada perustiedot yksinkertaisista säätömenetelmistä Säätäminen = mitattavan arvon saattaminen asetusarvoa vastaavaksi Esimerkiksi: lämpötila, moottorin nopeus, nesteen taso Säätöalgoritmien tavoitteena tehokkuus, nopeus ja tarkkuus

4 Säätämisen historiaa Nicholas Minorsky: Directional stability of automatically steered bodies (1922) New Mexico sotalaivan automaattinen ohjausjärjestelmä Laivan kallistuminen heikensi laivatykkien tarkkuutta (S. Bennet: Nicolas Minorsky and the Automatic Steering of Ships)

5 Termejä Häiriö Asetusarvo Erosuure (e) Ohjausarvo (u) Säädettävä suure Säätäjä Prosessi Takaisinkytkentä Mittausanturi Oloarvo Askelvaste:

6 oloarvo asetusarvo erosuure

7 Stabiili prosessi Prosesseista Jos asetusarvo ja häiriöt pysyvät samana, prosessi asettuu luonnolliseen tasapainotilaan Esimerkiksi auton vakionopeudensäätö: jos moottoriin syötetty polttoainemäärä on vakio, auto kulkee vakionopeudella, kunhan ulkoiset tekijät kuten tuuli tai mäet eivät vaikuta Epästabiili, eli integroiva prosessi Prosessi ei asetu tasapainotilaan, vaan ajautuu rakenteelliseen ylä- tai alarajaan ilman säätöä Värähtelevä prosessi Värähtely voi johtua itse prosessin lisäksi myös huonosti viritetystä säätimestä, toimilaitevioista tai muista häiriöistä

8 Stabiili Epästabiili

9 Aikavakio ja viive Prosessin aikavakio osoittaa nopeutta, jolla prosessi reagoi ohjausarvojen muutokseen Viive, eli kuollut aika, tarkoittaa asetusarvon ja oloarvon muutoksen välillä kuluvaa aikaa

10 P-säätäjä u = K*e + M Ohjausarvo on suoraan verrannollinen eroarvoon P-säätäjä jättää asentovirheen Jos kerrointa K kasvatetaan liikaa, järjestelmä voi värähdellä Säätäjän ohjaus on usein rajoitettu tietylle välille Koodia: ero = asetusarvo oloarvo; u = p_kerroin * ero + p_skaalaus; ohjaus = mid (alaraja, u, ylaraja);

11 K=3 K=10

12 I-säätäjä u = K * average(e(1) e(k)) Säätimen ulostulo muuttuu eroarvoon verrannollisella nopeudella Ei reagoi pieniin häiriöihin Ei asentovirhettä Hidas Voi saturoitua toiminta-alueen rajalla, kun ohjaus ei riitä korjaamaan tilannetta (Windup). Ratkaisu: lisätään anti-windup toiminto, joka esimerkiksi estää integroinnin jatkumisen prosessin saturaatiotilanteessa

13 e t u t

14 Saturoituminen -> järjestelmä menettää ohjattavuutensa kunnes tilanne purkautuu

15 Antiwindup Mahdollisia strategioita Integroinnin lopettaminen saturaatiotilanteessa Integraalitermin rajoittaminen raja-arvojen sisälle Integroinnin lopettaminen saturaatiotilanteessa, jos eroarvolla ja asetusarvolla on sama merkki (u*e > 0) Yleensä integrointia ei lopeta suoraan, vaan sen arvoa vähennetään jonkin ajan kuluessa Kyllästymisen havaitsemiseksi tarvitaan ylimääräinen takaisinkytkentä

16 D-säätäjä u = K * ( e(n) e(n-1) ) Säätimen ulostulo on verrannollinen eroarvon muutosnopeuteen Säätö reagoi nopeasti Pitää liikettä yllä -> ylittää asetusarvon ja värähtelee Herkkä kohinalle Liitetään aina P tai PI-säätäjään

17 e t u t

18

19 PI-säätäjä P-säätäjän nopeus, I-säätäjän tarkkuus Ei asentovirhettä

20

21 PD-säätäjä Nopea, ennustaa asetusarvon muutosta Värähtelee herkästi Herkkä kohinalle Jättää asentovirheen

22

23 PID-säätäjä Reagoi nopeasti, mutta ei värähtele niin herkästi Yleissäätäjä P osa huolehtii perussäädöstä D osa tuo nopeutta I osa vaimentaa värähtelytaipumusta Ei asentovirhettä

24 PID-säätäjän rakenne Ideaalinen, sarjamuotoinen tai rinnakkaismuotoinen Jos mitään ei mainita, kyseessä on yleensä ideaalimuotoinen säädin Säädinrakenteella on merkitystä, jos viritysparametrit kopioidaan säätimeltä toiselle

25 Säätäjän virittämisestä Säätäjän virittäminen yritys ja erehdys - menetelmän avulla muuttamalla P, I ja D- osien kertoimia D- ja P-termit aiheuttavat värähtelyä/ylitystä I-termi hävittää asentovirheen, mutta voi aiheuttaa säätäjän saturoitumisen Ziegler-Nichols ja Cohen-Coon ovat eräitä klassisia viritysmenetelmiä

26 Mittaamisesta Mittaussignaalia joudutaan usein suodattamaan Häiriöt Kiinnostava taajuuskaista Mitta-anturi on toisinaan kalibroitava Kalibrointi saatetaan tehdä huollon yhteydessä tai automaattisesti laitteen ollessa käytössä

27 Yhteenveto P-, I-, D-, PI-, PD- ja PID-säätimet valitaan käyttötarkoituksensa mukaan ja viritetään toimimaan optimaalisella, mutta turvallisella tavalla. Mitta-anturien kalibrointi on usein tarpeen valmistustoleranssien ja kulumisen vaikutuksen poistamiseksi Järjestelmän turvallisuus on syytä ottaa aina huomioon