ENSO IKONEN PYOSYS 1 SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU Enso Ikonen professori säätö- ja systeemitekniikka http://cc.oulu.fi/~iko Oulun yliopisto Älykkäät koneet ja järjestelmät / Systeemitekniikka Jan 2019
ENSO IKONEN PYOSYS 2 Oppimistavoitteet Opiskelija... osaa selittää takaisinkytkennän tärkeyden myötäkytkentään verrattuna, ja robustisuuden perusteella. näkee molempien merkityksen toisiaan tukevina säädön rakenteina osaa itsenäisesti muodostaa häiriöllisen suljetun piirin ja sen siirtofunktiot sekä komponentit gang-of-six analyysiin ymmärtää napojensijoittelun periaatteen sekä osaa tulkita juuriurakuvaajaa osaa itsenäisesti määritellä suljetun piirin Matlabilla, piirtää lohkokaavion ja simuloida järjestelmää.
3.7 Suljetut piirit Matlabilla (harjoituksissa) ENSO IKONEN PYOSYS 3 Säätöjärjestelmien suunnittelu SäSu 2019 3.2 Takaisinkytketyt järjestelmät 3.3 Kuuden kopla 3.4 Esimerkkejä takaisinkytketyistä järjestelmistä 3.5 Myötäkytkentä 3.6 Napojensijoittelu juuriura 3.2 Takaisinkytketyt järjestelmät takaisinkytkennän merkitys suuri vahvistus 3.3 Kuuden kopla
ENSO IKONEN PYOSYS 4 3.2 Säätö ja sen suunnittelu Säätö (control) = algoritmien ja takaisinkytkennän käyttäminen teknisissä järjestelmissä mittaus & vertailu haluttuun korjaavien toimenpiteiden laskenta toteutuskomennot tieto poikkeamista toimenpiteiden suunnittelu toimenpiteiden täytäntöön pano Säädön suunnittelu stabiilius BIBO dynaaminen suorityskyky häiriöiden vaimennus
ENSO IKONEN PYOSYS 5 Saa systeemit käyttäytymään halutulla tavalla matemaattinen mallinnus systeemin dynaamisen käyttäytymisen analyysi automaatio mittaukset toimilaitteet digitaalinen säätö tehtaanlaajuiset järjestelmät Säätötekniikka raison d être
ENSO IKONEN PYOSYS 6 Talon lämmitys Hans Aalto: säätötekniikka on mukavuuden ylläpitämistä (lagom) + jos tuulee + jos kosteaa - jos aurinkoista (tm Tehtävä: pidä talon sisätilat sopivan lämpöisinä kun olosuhteet vaihtelevat ulkolämpötila (-35 o C...+30 o C) ulkolämpötila-anturi => lämpökattilan ohjaus tuuli, kosteus, jne tuulimittari, kosteusmittari, jne Riittäisikö vain yksi mittalaite (?) sisäilman lämpötila-anturi + takaisinkytkentä
ENSO IKONEN PYOSYS 7 Harjoitus säädetty järjestelmä Ajatellaan säiliötä (järvi tm Kuinka säätäisit säiliön pinnankorkeutta? mitä mitata? toimilaite? millainen toteutustapa? - mitataan pinnankorkeus (kelluke) - manipuloidaan sisäänmenovirtausta (venttiili) - mekaaninen rakenne (vipu) automatic control on-off control flow difference outflow
ENSO IKONEN PYOSYS 8 Takaisinkytkentä suuri vahvistus Ensimmäisen kertaluvun prosessi dy t y t ku t dt R D Y ulostulohäiriöllä ei säädetty säädetty yksinkertaisella takaisinkytkennällä Mikä on suljetun systeemin vaste Y(? siirtofunktio Y(/R( =? siirtofunktio Y(/D( =?
ENSO IKONEN PYOSYS 9 Takaisinkytkentä suuri vahvistus Ensimmäisen kertaluvun prosessi dy t y t ku t dt ulostulohäiriöllä R E P= D Y ei säädetty säädetty yksinkertaisella takaisinkytkennällä Y ( KP( E( D( KP( [ R( Y ( ] D( (1 KP( ) Y ( KP( R( D( KP( R( D( Y ( 1 KP( D( R( KP( 1 1 KP( lim K Y ( R(
ENSO IKONEN PYOSYS 10 3.3 Kuuden kopla Takaisinkytkettyjen järjestelmien suunnittelu Klassinen suunnittelu 1. Kehitä systeemin siirtofunktiot 2. Valitse säätimet niin että karakteristinen yhtälö on sopiva (suljetun piirin navat) suunnittele säätimen rakenne ja parametrit Y s D s 1 C C s P s R s s P s T s 3. Tarkista suunnitellun systeemin käyttäytyminen 4. Iteroi
ENSO IKONEN PYOSYS 11 Kuuden kopla perussäätöpiiri Prosessi P Säädin takaisinkytkentä C myötäkytkentä F Muut lohkot Sensorien & toimilaitteiden dynamiikka, jne. tilanteen mukaan Säädettävä muuttuja mittaus y Ohjaus u Häiriöt kuormahäiriö d mittauskohina n muita häiriöitä tilanteen mukaan
Kuuden kopla siirtofunktiot
Kuuden kopla gang of six
Kuuden kopla gang of six
Kuuden kopla neljän kopla
ENSO IKONEN PYOSYS 16 Harjoitus Kuuden kopla (15min) Johda siirtofunktiot: a) TF: Y(/R( b) komplementaarinen sensitiivisyysfunktio T: U(/D( c) sensitiivisyysfunktio S: Y(/N( a) Lohkokaaviosta nähdään: Y( = N( + P(V( = N + P{ D+U } = N + P{ D + CE } = N + P{ D + C[FR-Y] } = N + PD + PCFR PCY <=> (1+PC)Y = N + PD + PCFR => Y/R = PCF/(1+PC). tarkista vastaukset: