Tietokoneavusteinen säätösuunnittelu (TASSU)

Samankaltaiset tiedostot
Automaatiotekniikan laskentatyökalut (ALT)

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

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

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

MATLAB harjoituksia RST-säädöstä (5h)

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

1 PID-taajuusvastesuunnittelun esimerkki

Tehtävä 1. Vaihtoehtotehtävät.

Aikatason vaste vs. siirtofunktio Tehtävä

ELEC-C1230 Säätötekniikka

ELEC-C1230 Säätötekniikka

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

Säätötekniikan matematiikan verkkokurssi, Matlab tehtäviä ja vastauksia

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

Mat Systeemien identifiointi, aihepiirit 1/4

Identifiointiprosessi

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

3. kierros. 2. Lähipäivä

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

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

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

Osatentti

Säätötekniikan alkeita

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

Parametristen mallien identifiointiprosessi

Parametristen mallien identifiointiprosessi

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

2. kierros. 1. Lähipäivä

ELEC-C1230 Säätötekniikka. Luku 10: Digitaalinen säätö, perusteet, jatkuu

2. kierros. 2. Lähipäivä

ELEC-C1230 Säätötekniikka

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

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

Osatentti

3. kierros. 1. Lähipäivä

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

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

Tilayhtälötekniikasta

P Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Bioprosessitekniikan laboratorio

Kon Simuloinnin Rakentaminen Janne Ojala

OPINTOJAKSON PERUSTIEDOT...

Säätötekniikan perusteet. Merja Mäkelä KyAMK

PID-sa a timen viritta minen Matlabilla ja simulinkilla

TKT224 KOODIN KOON OPTIMOINTI

A4.1 Projektityö, 5 ov.

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

TVT-startti. elokuu Käyttäytymistieteellinen tiedekunta.

Tervetuloa opiskelemaan DIGITAALI- TEKNIIKKAA! Digitaalitekniikan matematiikka Luku 0 Sivu 1 (9)

Harjoitus 5: Simulink

S11-09 Control System for an. Autonomous Household Robot Platform

PITKÄNPATTERIN KYTKENTÄ

Ohjelmistoarkkitehtuurit. Kevät

A130A0760 Ekonomin viestintätaidot

Mat Systeemien identifiointi

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Mat Systeemien Identifiointi. 4. harjoitus

Talousmatematiikan perusteet: Johdanto. Kurssin tavoitteet Käytännön järjestelyt Suosituksia suorittamiseen

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

Taajuustason tekniikat: Boden ja Nyquistin diagrammit, kompensaattorien suunnittelu. Vinkit 1 a

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Boost-hakkuri. Hakkurin tilaesitykset

Järjestelmien kokoaminen osasysteemeistä. ELEC-C1230 Säätötekniikka. Lohkokaaviomuunnokset: Signaalit. Signaalin kulkeminen lohkon läpi

T SKJ - TERMEJÄ

z muunnos ja sen soveltaminen LTI järjestelmien analysointiin

T Käyttäjäkeskeisen tuotekehityksen harjoitustyö kevät 2005

Mitsubishi Electric ilma-vesilämpöpumppu

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

Tentin asetukset. Tentin lisääminen. Tentin asetukset

PROSESSISUUNNITTELUN SEMINAARI. Luento vaihe

Koe on kaksiosainen: siihen kuuluvat tekstitaidon koe ja esseekoe. Tekstitaidon kokeen arvioinnissa painottuu lukutaito ja esseekokeessa

Osaamisperustaisuuden arviointia tentillä

Analyysi 1, kevät 2010

RAPORTTI Eemil Tamminen Markus Virtanen Pasi Vähämartti Säätötekniikan harjoitustyö Joulukuu 2007

Malliprediktiivinen säädin konttinosturille

Mat Työ 2: Voimalaitoksen säätö

ACKERMANNIN ALGORITMI. Olkoon järjestelmä. x(k+1) = Ax(k) + Bu(k)

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

LISÄYKSET, POISTOT JA MUUTOKSET LUKUVUODEN OPETUSOHJELMAAN Osastoneuvosto

Kurssin tavoitteista uennot. 4.1 Projektityö, 5 ov. Esitietovaatimukset

Mopoilua. Tavoitteet: TEEMA 1:

LASKENNALLISEN TIETEEN OHJELMATYÖ: Diffuusion Monte Carlo -simulointi yksiulotteisessa systeemissä

TL5503 DSK, laboraatiot (1.5 op) Suodatus 2 (ver 1.0) Jyrki Laitinen

Rp [ ] Sv min. [ ] C215QPT-B 15 1/ C215QPT-D 15 1/ C220QPT-F 20 3/ C225QPT-G [ ]

Harjoitustyö 3. Heiluri-vaunusysteemin parametrien estimointi

Tehtävä 1. Vaihtoehtotehtävät.

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

Korkealämpötilakemia

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Automaatiotekniikan laskentatyökalut (ALT)

Harjoitustyöinfo kevät TU-A1100 Tuotantotalous 1

Ruiskuvalumuotin jäähdytys, simulointiesimerkki

Yrittäjyys YY00B75. Katta Siltavirta

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

Harjoitustyöinfo kevät TU-A1100 Tuotantotalous 1

Identifiointiprosessi

EFFINOX CONDENS 5000

Kuivauksen fysiikkaa. Hannu Sarkkinen

Transkriptio:

Ohjeita ja esimerkkejä kurssin 470463A näyttökoetta varten Tietokoneavusteinen säätösuunnittelu (TASSU) Enso Ikonen 9/2006 Oulun yliopisto, Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto, systeemitekniikan laboratorio Contents 1 Yleistä 3 1.1 Arvioinninperusteet... 3 1.2 Kurssinsuoritustavat... 3 1.2.1 Tentti... 3 1.2.2 Näyttökoe... 3 2 Esitehtävä 5 2.1 Esitehtävän sisältö... 5 3 Näyttötehtävä 6 3.1 Näyttötehtävänosat... 6 3.2 Esimerkki: Patterilämmitys öljykattilalla... 7 3.2.1 Tehtävänanto... 7 4 Esimerkkejä esitehtävistä 8 4.1 Esimerkki: Veden virtauksen säätö... 9 4.2 Esimerkki: Veden lämpötilan säätö... 10 5 Näyttötehtävän esimerkkisuoritus 11 5.1 Simuloi avoimen systeemin käyttäytymistä... 11 5.2 P- ja PI-säädön suunnittelu (trial-and-error)... 11 5.2.1 ImplementointiSimulinkille... 11 5.2.2 Säätösuunnittelu ja simulointi... 12 5.2.3 Diskretointi... 12 5.3 P- ja PI-säädön suunnittelu (suljetun systeemin navat).... 12 5.3.1 P-säädettysysteemi... 13 5.3.2 PI-säädettysysteemi... 14 5.3.3 Vaimennussuhde... 14 5.3.4 Nousuaika,asettumisaika,...... 15 1

5.4 P- ja PI-säädön suunnittelu (juuriura)...... 15 5.5 P- ja PI-säädön suunnittelu (Bode)... 16 6 Kattilan malli 17 6.1 Vakiovirtaus... 17 6.2 Muuttuvavirtaus... 17 6.3 Häiriömalli... 18 2

1 Yleistä 1.1 Arvioinnin perusteet 1.2 Kurssin suoritustavat 1.2.1 Tentti 1.2.2 Näyttökoe TASSU-kurssilla opitaan säätösysteemien simulointia, analysointia ja säädön suunnittelua tietokoneen avulla (kts. cc.oulu.fi/~iko/tassu.htm). Tässä dokumentissa käsitellään kurssin suorittamista ns. näyttökokeen avulla, joka on mahdollista syksystä 2006 alkaen. Suoritustavasta riippumatta TASSUn arvioinnin tulisi kattaa seuraavat kurssin osa-alueet: MATLABin perusteet, LTI-systeemit, Simulinkin ja perussäätösuunnittelun (juuriura/bode) sekä jotain extraa (identifiointi, optimointi, mallipohjainen säätö, käyttöliittymät, neuroverkot, sumeat,...) Käytännössä tentti on kuitenkin asiapainotteisempi, kun taas näyttökokeessa keskitytään käytännön säätösuunnittelun onnistumiseen. Lähtöoletuksena on että säätö- ja systeemitekniikan perusteet hallitaan: odemallit, linearisointi, siirtofunktiot, tilamallit, Laplace ja Z-muunnokset, lohkokaavioalgebra, sekä lineaaristen dynaamisten systeemien analyysin perusasiat. TASSUkurssin tarkoituksena on perehdyttää tietokoneohjelmien käyttöön säätösuunnittelussa, ei itse suunnittelumenetelmiin sinänsä. Kurssin voi suorittaa joko perinteisesti tenttimällä tai ns. näyttökokeella. Myös molempia suoritustapoja voi kokeilla, jolloin parempi tulos jää voimaan. Tenttejä järjestetään 2 kpl / lukukausi sekä kesätentti. Tentissä esitetään viisi kysymystä, à10pistettä. Suoritus hyväksytään jos pisteitä saa 20 tai enemmän, kiitettävään arvosanaan (5) vaaditaan 42 pistettä. Näyttökokeita järjestetään vuosittain TASSU-kurssin luentojen päätyttyä, eli syksyn 2. periodilla. Näyttökoe koostuu esitehtävästä sekä varsinaisesta näyttötehtävästä. Näyttökokeessa opiskelija osoittaa osaamisensa ratkaisemalla valvotusti annetun tehtävän. Esitehtävä valmistellaan itsenäisesti ennen näyttökoetta; näyttötehtävän suorittamiseen varataan henkilökohtainen aika kurssin opettajalta. Arvosana muodostuu saman taulukon mukaan kuin tenteissä, pisteet saadaan laskemalla yhteen esi- ja näyttötehtävistä annetut pistemäärät. Esitehtävä (max. 20 pistettä) Esitehtävän tarkoituksena on varmistaa opiskelijan valmiudet näyttötehtävän suorittamiseen. Esitehtävä tehdään kotona ennen näyttökoetta, opiskelijan itse valitsemasta aiheesta. Suositeltava tehtävän laajuus on n. yksi työpäivä, sisältäen tehtävän kehittelyn, koodauksen, testauksen sekä raportoinnin. Tehty esitehtävä esitellään varsinaisen näyttökokeen yhteydessä. 3

Esitehtävässä opiskelija valitsee jonkin tutun prosessin ja muodostaa sille säätöongelman ja sen mukaisen prosessimallin. Malli koodataan MATLABilla tai Simulinkillä. Simulointien avulla tarkastellaan mallin vastetta ja arvioidaan sitä suhteessa todellisen prosessin oletettuun käyttäytymiseen. Lisäksi pohditaan kuinka prosessin säätö/ohjaus tulisi toteuttaa. Tehdystä työstä valmistellaan lyhyt esitys (1 2 kalvoa). Esitehtävän tarkempi kuvaus on esitetty luvussa 2. Esitehtävä arvostellaan opiskelijan esittelyn ja sitä seuraavan keskustelun perusteella, à 1 piste / kohta (kts luku 2). Omaehtoisuudesta ja monipuolisuudesta voi saada max 20 lisäpistettä. Esitehtävästä annetaan korkeintaan 20 pistettä. Näyttötehtävä (max40pistettä) Näyttökokeen tarkoituksena on arvioida sen tekijän tiedot ja taidot käytännöllisen ongelman ratkaisussa. Näyttökoe on eräänlainen suullinen tentti. Kurssimateriaali ja vapaavalintaiset julkaistut kirjat ovat sallittuja. TASSUn näyttökokeessa opiskelijalle annetaan fysikaalisen prosessin malli ja säädön tavoitteet. Opiskelijan tehtävänä on suunnitella systeemille säätö ja arvioida ratkaisun toimivuutta. Tehtävän tekemistä seurataan ja arvioidaan. Näyttötehtävän kulku noudattaa seuraavaa kaavaa: 1. Opiskelija esittelee esitehtävänsä + keskustelua (5 15 min) 2. Opiskelijalle selvitetään näyttötehtävä + tarkennuksia (5 min) 3. Opiskelija tekee näyttötehtävää itsenäisesti. Suoritusta seurataan mutta siihen puututaan mahdollisimman vähän. Voi olla että kysellään miksi - kysymyksiä, tai autetaan jos työn teko jää jumiin (30 45 min). 4. Lopuksi keskustellaan työn suorituksesta (5 15 min). Näyttötehtävää käsitellään tarkemmin luvussa 3. Näyttötehtävän suorituksesta annetaan korkeintaan 40 pistettä. 4

2 Esitehtävä Axiom 1 (Esitehtävä) Rakenna malli itse valitsemallesi säädettävälle prosessille, ja mieti kuinka suunnittelisit säädön. Esittele työsi. 2.1 Esitehtävän sisältö Jaa työ seuraaviin vaiheisiin (mahdollisuuksien mukaan): 1. Valitse joku (tavallinen) prosessi (jonka me kaikki tunnemme). Muodosta säädettävä systeemi: 2. Valitse säädettävä(t) muuttuja(t) 3. Valitse muuttuja(t) jo(i)lla systeemiä säädetään (ohjataan) Mallinna systeemi: 4. Mieti systeemin tasapainotilan käyttäytymistä 5. Mieti systeemin dynamiikkaa ja viiveitä 6. Rakenna säädettävän systeemin malli MATLABilla tai Simulinkillä. 7. Testaa malliasi. Mieti käyttäytyykö se jossain tavallisessa prosessitilanteessa odottamallasi tavalla, samoin kuin todellinen prosessi käyttäytyisi. Millaisia rajoituksia systeemiin vaikuttaa? Pohdi säätöä: 8. Pohdi mikä olisi säätöjärjestelmän pääasiallinen tehtävä. Millaiset häiriöt todelliseen systeemiin vaikuttavat? Millainen on prosessilta haluttu ulostulo? 9. Millaisella tekniikalla aloittaisit säätöjärjestelmän suunnittelun? Valmistaudu esittelemään työsi: 10. Valmistele 1 2 kalvon esittely esitehtävästäsi, ja varaudu selittämään ajatuksiasi em. kohdista 1 9. Liitteessä on esitetty muutamia esimerkkejä esitehtävästä. Huom! Keksi oma esimerkki, älä kopioiannettuja tai kaverisi esimerkkejä. 5

3 Näyttötehtävä 3.1 Näyttötehtävän osat Näyttötilaisuudessa opiskelija esittää ensin esitehtävänsä, jonka jälkeen seuraa varsinaisen näyttötehtävän suoritus. Näyttötehtävän suorittamista seurataan, ja sen aikana arvioidaan seuraavien taitojen hallintaa: 1. MATLAB/Simulinkin käytön perusteet (0-10 pistettä) MATLABin ja Simulinkin käytön perusteet prosessimallien rakentaminen ja signaalien piirtäminen: annettu malli on LTI-malli Laplace-, tilataso- tai ODE-muodossa, voi olla SISO tai MIMO, siihen voi liittyä häiriöitä tms., signaalit voivat olla rajoitettuja tai saturoivia, tms. 2. Suljetun piirin simulointi & analysointi (0-10 pistettä) takaisinkytketyn systeemin simulointi, PID-säädetyn prosessin simulointi aikatason vasteen piirtäminen erilaisille sisäänmenosignaaleille aikatason kriteerien arviointi (nousuaika, ylitys, jne) 3. Suljetun piirin käyttäytymisen suunnittelu (0-30 pistettä) säätösuunnittelun kriteerien valinta Bode- ja juuriurakuvaajien käyttö aikataso s-taso taajuustaso esitysten käyttö yhdessä napojensijoittelu, Nyquist, jne. kompensaattorisuunnittelun / PID-säätimen parametrien virityksen onnistuminen 4. Muu innovatiivisuus & taitojen osoittaminen (0-10 pistettä) esim. siirtyminen jatkuva-aikasten ja diskreettiaikaisten mallien välillä Näyttötehtävässä saa olla mukana joku säätötekniikan oppikirja (Ogata, Dorf & Bishop, tms.). Näyttötehtävässä käytettävä ohjelmisto on MATLAB 6.0 (R12), Simulink 4.0 ja Control System Toolbox 5.0, Windows XP ympäristössä. Seuraavilla sivuilla hahmotellaan sitä millaisia näyttötehtävät voisivat olla. 6

3.2 Esimerkki: Patterilämmitys öljykattilalla 3.2.1 Tehtävänanto Systeemin malli Omakotitalon öljykattilassa lämmitetään lämpötilassa T 0 [ C] pattereilta palaavaa vettä haluttuun menolämpötilaan T (t) [ C]. Kattilan lämmitysteho on Q (t) [W],kattilanläpivirtaus on F (t) [ kg s ], ja kattila pidetään aina täynnä vettä tilavuudessa V [m 3 ]. Pattereille menevän lämmön isäksi kattilasta johtuu seinämien kautta lämpöä harakoille. Kattilalle on energiataseen perusteella johdettu seuraava malli: lämpömäärän muutos = lämmitys menovesi harakoille dt (t) ρvc dt = Q (t) F (t) C [T (t) T 0 ] UA[T (t) T u ] missä ρ =1 10 3 [ kg m ] on veden tiheys 3 V = 200 [l] = 0.2 [m 3 ] on kattilan tilavuus C =4.19 10 3 J [ ] on veden ominaislämpökapasiteetti kg C T 0 =30[ C] on paluuveden lämpötila, T u =25[ C] on kattilahuoneen lämpötila U =10[ W m 2 K ]onlämmönsiirtokerroin, A =2m2 on lämmönsiirtopinta-ala. Malli sisältää epälineaarisen termin F (t) CT (t) joka voidaan linearisoida pisteen (Q, T,F )ympäristössä ensimmäisen asteen Taylorin kehitelmän avulla: CF (t) T (t) CF T + CF T (t)+ct F (t) Sijoittamalla tämä differentiaaliyhtälöön ja ottamalla käyttöön poikkeutusmuuttujat x (t) =x + x (t) muuttujille T, Q ja F, ja Laplace-muuntamalla saadaan systeemille linearisoidut mallit 1 T (s) Q (s) = CF +UA T (s) ρvc s +1, F (s) = CF +UA C(T T 0) CF +UA ρvc CF +UA s +1 tasapainotilan Q = UA T T u + FC T T0 ympäristössä. Tehtävät Oleta virtaus vakioksi 12 l menoveden tavoitelämpötilaksi 40 C. min, kattilan maksimitehoksi 17 kw ja 1. Simuloi dynaamisen systeemin käyttäytymistä MATLABin tai Simulinkin avulla. Ota huomioon signaalien mahdolliset ylä- ja alarajat. 2. Suunnittele systeemille P/PI-säätö useampaa menetelmää hyväksikäyttäen. Määritä suunnittelukriteerit suunnittelutekniikan mukaisesti. Suunnittele säätimelle parametrit ja simuloi suljetun systeemin käyttäytymistä. 3. Laske diskreetin säätimen parametrit kun automaatiosysteemin säätöväli on 1 minuutti. 7