Automatizálási tanszék

Szabályozási Rendszerek

2014/2015, őszi szemeszter Előadás

A szabályozáselmélet főbb irányzatai

Klasszikus szabályozáselmélet

- az 1940-es évek elején kezdett kialakulni, mely aztán rohamosan kezdett fejlődni - a ʼ60-as években már általánosan elterjedt az irányítástechnikai mérnöki gyakorlatban - a kidolgozott módszerek főleg determinisztikus jeleket feltételeztek - elsősorban lineáris rendszerek esetére adott módszereket - egyszerű szabályozók alkalmazása (PID) és beállítási paraméterek frekvenciatartománybeli módszerekkel - ökölszabályok megjelenése a szabályozók beállításához - Ziegler-Nichols, Janssen-Offereins - Oppelt, Strejc, Reinisch - ʼ40-es évektől folytonosidejű (analóg) tervezési módszerek - ‚60-as évektől diszkrétidejű (mintavételes) tervezési módszerek (Shannon, Cipkin, Jury stb.) - sztochasztikus folyamatok szabályozása már a II. Világháborúban is (Wiener-szűrő) - a nemlinearitás figyelembevételére Fourier-sorfejtésen alapuló módszert alkalmaztak

A szabályozáselmélet főbb irányzatai

Modern szabályozáselmélet

- az 50-es évek végén, 60-as évek elején alakult ki - optimális irányítások tervezésére vonatkozó elméletek - állapotvisszacsatolás, állapotmegfigyelés - sztochasztikus jelek optimális szűrése - adaptív irányítások alapjai - prediktív irányítás elméleti alapjai - továbbfejlesztések

Posztmodern szabályozáselmélet

- 80-as években alakult ki - robusztus optimális irányítások területe, változó rendszer, referencia-, és zavarjelek esetén

Soft computing

- Az utóbbi pár évtizedben alakult ki. Fuzzy, genetikus algoritmusok, neurális hálózatok stb.

Az irányítási folyamat műveletei

Az irányítási folyamat műveletei

1.

2.

3.

4.

5.

Érzékelés: értesülés (információ) szerzése az irányító folyamatról Ítéletalkotás: döntés az értesülés feldolgozása alapján a rendelkezés szükségességéről Rendelkezés: utasítás a beavatkozásra Jelformálás: jelmódosítás, jelerősítés Beavatkozás: az irányított folyamat befolyásolása a rendelkezés alapján

Irányítási lánc Hatáslánc

Érzékelés Ítéletalkotás Rendelkezés Jelformálás Beavatkozás

A jel, a jellemző

Jel :

valamely fizikai vagy kémiai állapothatározó olyan értéke, vagy értékváltozása, amely egy egyértelműen hozzárendelt információ szerzésére, továbbítására vagy tárolására alkalmas. Legfontosabb jellemvonása az információtartalom, ami mellett az energiatartalom csak másodlagos jelentőségű. Jelhordozó minden fizikai, vagy kémiai mennyiség lehet.

Jellemző :

azok az állapothatározók, amelyek az irányítandó folyamat állapotát jellemzik, vagy befolyásolják. A jellemző olyan jel, amely az irányítandó folyamat állapothatározóinak értékéhez vagy értékváltozásához rendel információt.

A jel értékkészlete szerint:

- folytonos: értékkészlete összefüggő tartomány - szakaszos, értékkészlete diszkrét értékeket vehet fel

Az időbeli lefolyás szerint:

- folyamatos, összefüggő időtartományban és megszakítás nélkül fennáll - szaggatott, meghatározott időtartományban szolgáltat információt

A jel, a jellemző

Megjelenési formája szerint:

- analóg, az információt a jelhordozó értéke határozza meg - digitális, az információ diszkrét, vagy pl. számjegy

Az érték meghatározottsága szerint:

- determinisztikus, értéke meghatározott időfüggvénnyel egyértelműen megadható - sztochasztikus, véletlen lefolyású jel, valószínűség számítási módszerekkel írható le.

Tipikus esetek:

- folytonos, folyamatos, analóg jel - szakaszos, folyamatos, analóg jel - folytonos, szaggatott, analóg jel - szakaszos, szaggatott, analóg jel - szakaszos, folyamatos, digitális jel - szakaszos, szaggatott, digitális jel

Az irányítási rendszer

Irányítási rendszer: -

irányított rendszer irányító rendszer

Az irányítási rendszer dinamikus rendszer Irányító rendszer Irányítási rendszer Irányított rendszer

Az irányítási rendszer jellegzetességei

- Hatáslánc:

szerkezeti egységek sorozata; az irányítási hatást követik - Az irányítási rendszer

leírható: - Szerkezeti vázlat:

vázlatos, vagy jelképes szerkezeti ábrázolás

- Működési vázlat:

a hatáslánc szerkezeti részeinek ábrázolása

- Hatásvázlat:

a hatáslánc elvi elvonatkozatott ábrázolási módja, Megadható pl. Blokkvázlattal / blokksémával

Az irányítási rendszer jellegzetességei

- Hatáslánc:

szerkezeti egységek sorozata; az irányítási hatást követik - Az irányítási rendszer

leírható: - Szerkezeti vázlat:

vázlatos, vagy jelképes szerkezeti ábrázolás

- Működési vázlat:

a hatáslánc szerkezeti részeinek ábrázolása

- Hatásvázlat:

a hatáslánc elvi elvonatkozatott ábrázolási módja. Megadható pl. Blokkvázlattal / blokksémával

- A hatásvázlat részei:

- tag - irányított szakasz - hatásirány - bemenő jel - kimenő jel

- A blokkvázlat jelzi:

- a hatáslánc jeleit (vonalak) - a hatáslánc tagjait (téglalap, ötszög) - a hatásirányt (a vonalakra rajzolt nyilakkal) - az összegzési helyeket ( , + vagy - jelzéssel)

Irányítás: Vezérlés és szabályozás

Vezérlés

x r Vezérlő berendezés x b Beavatkozó szerv x z x m Vezérelt berendezés

Szabályozás

x a x r Szabályozó berendezés x b Beavatkozó szerv x m x z Szabályozott berendezés x e Érzékelő szerv x s

Vezérlés és szabályozás összehasonlítása

Hatáslánc Zavaró jel Jelátviteli tulajdonságok Stabilitás

Irányítás

Nyitott

Vezérlés

Hatása előre ismert Pontosan ismerni kell Stabil

Szabályozás

Zárt Hatása nem ismert, de kiküszöbölhető Kisebb a jelentősége Helyenként instabil lehet

Szabályozások osztályozása

Alapjel szerint

- Értéktartó szabályozás - Követő szabályozás

A jelátvivő tagok matematikai modellje szerint

- Lineáris szabályozás - Nemlineáris szabályozás

A jelek értékeinek meghatározottsága szerint

- determinisztikus szabályozás - sztochasztikus szabályozás

Szabályozási rendszerek tervezésének lépései Szabályozási rendszerek tervezésének lépései

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

A szabályozott szakasz definíciója A folyamat analízise A beavatkozó szervek megválasztása A szabályozási hardver megvalósítása Adatgyűjtés a folyamaton A folyamat identifikációja (matematikai modellje) A szabályozási algoritmus kifejlesztése A szabályozási algoritmus szoftver implementálás A szabályozási rendszer végső tesztelése (validálás)

Zárt szabályozási kör átmeneti függvénye

Felfutási idő Első maximumig terjedő idő Szabályozási idő

Szabályozások minőségi jellemzői

Túllövés

∆𝜈 = [ 𝜈 ( 𝑇 𝑚 )− 𝜈(∞) ] 𝜈(∞) 100%

Az zárt rendszer domináns pólus-párja

𝑠 1,2 = −𝜉𝜔 0 ± 𝑗𝜔 0 1 − 𝜉 2 IQE IAE

A rendszer jósága,

ha 𝑒 𝑡 = 1 − 𝜈(𝑡) ITAE 𝐼 𝐼 𝑄 𝐼 𝐴 𝑇𝐴 = ∞ 𝑒 2 (𝑡)𝑑𝑡 0 = 0 ∞ 𝑒 (𝑡) 𝑑𝑡 = 0 ∞ 𝑡 𝑒 (𝑡) 𝑑𝑡