Harjoitus 6: Simulink - Säätöteoria. Syksy 2006. Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 1



Samankaltaiset tiedostot
Säätötekniikkaa. Säätöongelma: Hae (mahdollisesti ulostulon avulla) ohjaus, joka saa systeemin toimimaan halutulla tavalla

Säätötekniikkaa. Säätöongelma: Hae (mahdollisesti ulostulon avulla) ohjaus, joka saa systeemin toimimaan halutulla tavalla

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

Harjoitus 7: Dynaamisten systeemien säätö (Simulink)

SaSun VK1-tenttikysymyksiä 2019 Enso Ikonen, Älykkäät koneet ja järjestelmät (IMS),

x = ( θ θ ia y = ( ) x.

Y (s) = G(s)(W (s) W 0 (s)). Tarkastellaan nyt tilannetta v(t) = 0, kun t < 3 ja v(t) = 1, kun t > 3. u(t) = K p y(t) K I

Harjoitus 7: Dynaamisten systeemien säätö (Simulink)

Laplace-muunnos: määritelmä

Harjoitus 5: Simulink

Harjoitus 7: Dynaamisten systeemien säätö (Simulink)

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Vaimennetun heilurin tilanyhtälöt on esitetty luennolla: θ = g sin θ r θ

1 Di erentiaaliyhtälöt

8. kierros. 2. Lähipäivä

6. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

v AB q(t) = q(t) v AB p(t) v B V B ṗ(t) = q(t) v AB Φ(t, τ) = e A(t τ). e A = I + A + A2 2! + A3 = exp(a D (t τ)) (I + A N (t τ)), A N = =

Y (z) = z-muunnos on lineaarinen kuten Laplace-muunnoskin

Missä mennään. systeemi. identifiointi. mallikandidaatti. validointi. malli. (fysikaalinen) mallintaminen. mallin mallin käyttötarkoitus, reunaehdot

(s 2 + 9)(s 2 + 2s + 5) ] + s + 1. s 2 + 2s + 5. Tästä saadaan tehtävälle ratkaisu käänteismuuntamalla takaisin aikatasoon:

8. kierros. 1. Lähipäivä

Säätötekniikan matematiikan verkkokurssi, Matlab tehtäviä ja vastauksia

Tilaesityksen hallinta ja tilasäätö. ELEC-C1230 Säätötekniikka. Luku 6: Tilasäätö, tilaestimointi, saavutettavuus ja tarkkailtavuus

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros 1

Harjoitus (15min) Prosessia P säädetään yksikkötakaisinkytkennässä säätimellä C (s+1)(s+0.02) 50s+1

Dynaamisten systeemien identifiointi 1/2

järjestelmät Luento 8

ẋ(t) = s x (t) + f x y(t) u x x(t) ẏ(t) = s y (t) + f y x(t) u y y(t),

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

Matemaattinen Analyysi

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

Aikatason vaste vs. siirtofunktio Tehtävä

2. kierros. 2. Lähipäivä

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

2. kierros. 1. Lähipäivä

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

Harjoitus 4: Matlab - Optimization Toolbox

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

Matemaattinen Analyysi

Jos siis ohjausrajoitusta ei olisi, olisi ratkaisu triviaalisti x(s) = y(s). Hamiltonin funktio on. p(0) = p(s) = 0.

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

Lisämateriaalia: tilayhtälön ratkaisu, linearisointi. Matriisimuuttujan eksponenttifunktio:

Ei välttämättä, se voi olla esimerkiksi Reuleaux n kolmio:

Harjoitus 4: Differentiaaliyhtälöt (Matlab) MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 1

Kompleksianalyysi, viikko 7

Matemaattisessa analyysissa on usein käyttökelpoista soveltaa integraalimuunnoksia. Yksi tärkeimmistä on Laplace-muunnos. e st f(t)dt, s > s 0

FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Johdanto

F {f(t)} ˆf(ω) = 1. F { f (n)} = (iω) n F {f}. (11) BM20A INTEGRAALIMUUNNOKSET Harjoitus 10, viikko 46/2015. Fourier-integraali:

H(s) + + _. Ymit(s) Laplace-tason esitykseksi on saatu (katso jälleen kalvot):

1 PID-taajuusvastesuunnittelun esimerkki

Mat Systeemien identifiointi, aihepiirit 1/4

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

17. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

Y Yhtälöparista ratkaistiin vuorotellen siirtofunktiot laittamalla muut tulot nollaan. = K K K M. s 2 3s 2 KK P

Osa IX. Z muunnos. Johdanto Diskreetit funktiot

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Dynaamiset regressiomallit

Alias-ilmiö eli taajuuden laskostuminen

3. kierros. 2. Lähipäivä

Differentiaaliyhtälön ratkaisu. ELEC-C1230 Säätötekniikka. Esimerkki: läpivirtaussäiliö. Esimerkki: läpivirtaussäiliö

Luento 4: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Harjoitus 6: Symbolinen laskenta II (Mathematica)

Hyvyyskriteerit. ELEC-C1230 Säätötekniikka. Luku 8: Säädetyn järjestelmän hyvyys aika- ja taajuustasossa, suunnittelu taajuustasossa, kompensaattorit

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 5: Gradientti ja suunnattu derivaatta. Vektoriarvoiset funktiot. Taylor-approksimaatio.

Harjoitus Tarkastellaan luentojen Esimerkin mukaista työttömyysmallinnusta. Merkitään. p(t) = hintaindeksi, π(t) = odotettu inflaatio,

SIMULINK 5.0 Harjoitus. Matti Lähteenmäki

Dynaamisen järjestelmän siirtofunktio

Systeemin käyttäytyminen. ELEC-C1230 Säätötekniikka. Systeemin navat ja nollat. Systeemin navat ja nollat

3. kierros. 1. Lähipäivä

Luetteloivat ja heuristiset menetelmät. Mat , Sovelletun matematiikan tutkijaseminaari, kevät 2008, Janne Karimäki

Mat Systeemianalyysilaboratorio: Dynaamisen järjestelmän simulointi ja säätö

2v 1 = v 2, 2v 1 + 3v 2 = 4v 2.. Vastaavasti ominaisarvoa λ 2 = 4 vastaavat ominaisvektorit toteuttavat. v 2 =

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

f (28) L(28) = f (27) + f (27)(28 27) = = (28 27) 2 = 1 2 f (x) = x 2

Tilayhtälötekniikasta

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

Lyhyt yhteenvetokertaus nodaalimallista SÄTEILYTURVAKESKUS STRÅLSÄKERHETSCENTRALEN RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY

Matemaattinen Analyysi

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

Säätötekniikan alkeita

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

z muunnos ja sen soveltaminen LTI järjestelmien analysointiin

Ellipsoidimenetelmä. Samuli Leppänen Kokonaislukuoptimointi. S ysteemianalyysin Laboratorio

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros 5

min x x2 2 x 1 + x 2 1 = 0 (1) 2x1 1, h = f = 4x 2 2x1 + v = 0 4x 2 + v = 0 min x x3 2 x1 = ± v/3 = ±a x 2 = ± v/3 = ±a, a > 0 0 6x 2

3 = Lisäksi z(4, 9) = = 21, joten kysytty lineaarinen approksimaatio on. L(x,y) =

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 13: ti klo 13:00-15:30 ja to 1.4.

Lakkautetut vastavat opintojaksot: Mat Matematiikan peruskurssi P2-IV (5 op) Mat Sovellettu todennäköisyyslaskenta B (5 op)

Differentiaaliyhtälöt II, kevät 2017 Harjoitus 5

Tehtävä 1. Vaihtoehtotehtävät.

Vakiokertoiminen lineaarinen normaaliryhmä

Osatentti

AS Automaation signaalinkäsittelymenetelmät. Laskuharjoitus 8. Ackermannin algoritmi Sumea säätö

y + 4y = 0 (1) λ = 0

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 10: Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö

MATLAB harjoituksia RST-säädöstä (5h)

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

8 Potenssisarjoista. 8.1 Määritelmä. Olkoot a 0, a 1, a 2,... reaalisia vakioita ja c R. Määritelmä 8.1. Muotoa

Transkriptio:

Harjoitus 6: Simulink - Säätöteoria Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt Syksy 2006 Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 1

Harjoituksen aiheita Tutustuminen säätötekniikkaan Takaisinkytkennän periaate Dynaamisen systeemin stabiilisuus Dynaamisen systeemin esitystavat: tilayhtälömalli ja siirtofunktio PID-säädin ja tilatakaisinkytkentä Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 2

Säätötekniikka Säätöongelma: Hae (mahdollisesti ulostulon avulla) ohjaus, joka saa dynaamisen systeemin toimimaan halutulla tavalla. - Servo-ongelma: ulostulon seurattava referenssisignaalia mahdollisimman tarkasti, esim. teollisuusrobotin asennonsäätö. - Stabilointiongelma: ulostulon oltava vakio systeemiin vaikuttavista häiriöstä riippumatta, esim. säiliön pinnankorkeuden säätö, vaihtovirtageneraattorin kierrosluku. Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 3

Takaisinkytkentä Takaisinkytkentä ulostulosta erosuureen e(t) muodossa. - Jos e(t) = 0 OK! Muuten korjaa u(t):tä kunnes e(t) = 0. Säätöongelma: valitse säädin - Rakenne: PID, tilatakaisinkytkentä, sumea logiikka... - Parametrit säätimelle Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 4

Avoin ohjaus vs. takaisinkytkentä Avoin silmukka (open loop): ei takaisinkytkentää. - Ohjaus muodostetaan ilman ulostuloa. - Esim. Auton ohjaus silmät kiinni kartassa olevan tien muodon perusteella. - Ongelma: Häiriöitä ei voida kompensoida. Suljettu silmukka (closed loop): takaisinkytkentä. - Hyödynnetään systeemin ulostuloa ohjauksen muodostamisessa. - Esim. Autolla ajo: Muodostetaan ohjaus näköhavaintojen perusteella s.e. pysytään tiellä. Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 5

Mielenkiintoisia kysymyksiä Onko systeemi rakenteeltaan sellainen, että sitä voidaan hallita? - Systeemi on ohjattava, jos se voidaan palauttaa nollatilaan (äärellisessä ajassa). Tarvitseeko systeemi erityistä hallintaa? (stabiilius) Miten sitä hallitaan? (säätöteoria/ -tekniikka) Miten hallitaan parhaalla mahdollisella tavalla? (dynaaminen optimointi) Mitä systeemin sielunelämästä voidaan sanoa? - Systeemi on tarkkailtava, jos tila voidaan rekonstruoida ohjauksen ja ulostulon perusteella. Miten sielunelämää havaitaan? (tilahavaitseminen) - Kalman-suodin (Käytetään mm. GPS-paikantimissa) Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 6

Stabiilisuus 1/3 Klassisen mekaniikan stabiilisuuskäsitys: tasapainosta häirityn systeemin käyttäytyminen (ilman ohjausta) - Jos vaste (ulostulo) pysyy rajoitettuna, systeemi on stabiili. Muussa tapauksessa systeemi on epästabiili. - Asymptoottinen stabiilius: Vaste lähestyy nollaa ajan myötä. - Marginaalinen stabiilius: Vaste ei mene nollaan, mutta ei myöskään kasva rajatta. Esim. harmoninen värähtelijä. Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 7

Stabiilisuus 2/3 BIBO-stabiilius (Bounded Input, Bounded Output), (=sisäänmeno-ulostulo stabiilisuus) - Pysyykö ulostulo rajoitettuna mielivaltaisella rajoitetulla ohjauksella (lähdettäessä mistä tahansa tilasta)? Säädön tavoitteena on saada epästabiilista systeemistä stabiili. Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 8

Stabiilisuus 3/3 Asymptoottisesti stabiili systeemi 10 Ulostulo 5 0 Aika Marginaalisesti stabiili systeemi 10 Ulostulo 0 10 Epästabiili systeemi Aika Ulostulo 1000 500 0 Aika Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 9

Lineaarinen tilayhtälömalli Lineaarinen tilayhtälömalli (state space) on muotoa: ẋ(t) = Ax(t) + Bu(t) y(t) = Cx(t) + Du(t) Tilayhtälömalli on dynaamisen systeemin esitysmuoto aikatasossa. Vaihtoehtoinen tapa on dynaamisen systeemin esittäminen Laplace-tasossa siirtofunktion avulla. Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 10

Laplace-muunnos Signaalin f(t) Laplace-muunnos määritellään seuraavasti: F(s) = - Oletetaan f(t) = 0 kun t < 0. Esim. f(t) = c (vakio) 0 f(t)e st dt F(s) = 0 ce st dt = c s 0 se st dt =... = c s Laplace-muunnos on lineaarinen operaatio: L[a 1 f 1 (t) + a 2 f 2 (t)] = a 1 F 1 (s) + a 2 F 2 (s) - Laplace-muunnos voidaan siis tehdä termeittäin. Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 11

Derivaatan Laplace-muunnos Derivaatan Laplace-muunnos: L[f (t)] = sf(s) f(0) - Yleistettynä korkeampiin derivaattoihin: [ ] [ ] L f (n) (t) = s n F(s) s n 1 f(0) +... + f (n 1) (0) Kun oletetaan alkuarvojen f(0)...f (n 1) (0) olevan nollia: - Derivointi: s:llä kertominen - Integrointi: s:llä jakaminen Vrt. Integrator-lohko Simulinkissä. Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 12

Siirtofunktio 1/2 Systeemiä kuvaava differentiaaliyhtälö voidaan saattaa siirtofunktiomuotoon (transfer function) Laplace-muuntamalla. Esim. 1. kertaluvun differentiaaliyhtälö: ẏ(t) + ay(t) = u(t) Laplace-muunnetaan termeittäin: sy (s) y(0) + ay (s) = U(s) Siirtofunktiota muodostettaessa systeemin alkuarvot oletetaan nolliksi: y(0) = 0. (s + a)y (s) = U(s) Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 13

Siirtofunktio 2/2 Siirtofunktioksi G(s) kutsutaan ulostulon Y (s) ja sisäänmenon U(s) osamäärää: G(s) = Y (s) U(s) = 1 s + a Y (s) = G(s)U(s) Siirtofunktioesityksen hyöty: Differentiaaliyhtälöt muutettu algebrallisiksi yhtälöiksi helpompi käsitellä! Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 14

PID-säädin 1/3 P=proportionaalinen, I=integroiva, D=derivoiva P-säädin: u(t) = K P e(t), missä K P on säätimen parametri. - Suhteellinen takaisinkytkentä - Yksinkertaisin mahdollinen säädin. Ongelma: P-säädin ei osaa kompensoida askelmaista häiriötä. - Syntyy pysyvä poikkeama ulostuloon Idea: kasvatetaan ohjausta kunnes e(t) = 0. - Asetetaan u(t) riippumaan e(t):n integraalista. t PI-säädin: u(t) = K P e(t) + K I 0 e(τ)dτ Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 15

PID-säädin 2/3 Kun K I kasvaa, vaste (eli ulostulo) nopeutuu MUTTA: - Suljetun silmukan systeemi muuttuu eräällä parametriyhdistelemällä epästabiiliksi. - Syy: luotetaan liian vanhaan informaatioon (integrointi). (Eräs) ratkaisu: derioiva takaisinkytkentä; perustetaan u(t) e(t):n derivaatalle (vrt. ennustaminen). PID-säädin: u(t) = K P e(t) + K I t 0 e(τ)dτ + K D d dt e(t) Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 16

PID-säädin 3/3 Tehtävä: Valitse sopivat parametrit K P, K I, K D. - K P suuri nopea vaste, mutta epästabiilisuus vaanii. - K P suuri nopea vaste, pysyvät poikkeamat kompensoituvat (epästabiilisuus!) - K P : käyttö esim. stabilointi (ongelma: kohina) PID-säädin on yleisesti käytetty säädintyyppi teollisuudessa. PID-säätimen virittämiseen eli parametrien määrittämiseen on olemassa erilaisia tekniikoita. Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 17

PID-säädin Simulinkissä Simulinkissä PID-säädin löytyy kohdasta Simulink Extras Additional Linear. Säätimen rakennetta voi tutkia Look Under Mask-kohdasta. (Oikealla hiiren näppäimellä aukeava valikko) Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 18

Tilatakaisinkytkentä Vaihtoehtoinen tapa PID-säätimelle. Lineaarinen systeemi on muotoa ẋ(t) = Ax(t) + Bu(t) y(t) = Cx(t) + Du(t) Muodostetaan ohjaus u(t) = K x(t) ẋ(t) = Ax(t) + B ( Kx(t)) = (A KB)x(t) Tehtäväksi jää valita matriisi K s.e. systeemi käyttäytyy halutulla tavalla. Suositeltava lähestymistapa erityisesti MIMO-malleilla (Multiple-input multiple-output) Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 19

Kysymyksiä 1. Mitä eroa on servo- ja stabilointiongelmilla? 2. Mitä tarkoitetaan käsitteillä ohjattavuus ja tarkkailtavuus? 3. Mitä eroa on avoimen ja suljetun silmukan systeemeissä? 4. Miksi takaisinkytkentää käytetään säätötekniikassa? 5. Millainen on asymptoottisesti stabiili systeemi? 6. Mainitse kaksi erilaista säädintyyppiä. Mat-2.2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 20