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

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 Säätäjä Prosessi suure 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

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 Kuvaajat:

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 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

16 e t u t

17

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

19

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

21

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

23 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

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

25 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