Transcript Document
SW – Algorytmy sterowania Komputer sterujący spełnia rolę regulatora w klasycznym systemie sterowania. Algorytm sterowania stanowi regułę sterowania. Algorytmy sterowania mają charakter rekurencyjnej zależności pozwalającej na wyznaczenie wartości sygnału sterującego jakim należy oddziaływać na obiekt sterowania. Algorytm sterowania dobierany jest w oparciu o znajomość obiektu sterowania. 1 Systemy wbudowane SW - Dobór regulatorów – podejście klasyczne (przypomnienie z PA – do 16) Sygnał regulujący Sygnał regulowany y Obiekt Element pomiarowy Element wykonawczy Sygnał sterujący y1 u Regulator e Uchyb Sygnał pomiarowy x Zadajnik Systemy wbudowane Uproszczony opis dynamiki obiektów y Charakterystyki obiektów statycznych (inercyjnych II rzędu i wyższych) t T1 T2 y sT0 ke G ob (s) 1 sT t T0 T Systemy wbudowane Uproszczony opis dynamiki obiektów y Charakterystyki obiektów astatycznych t (całkujących) sT0 ke G ob (s) sT T Ti y t T0 T Systemy wbudowane Regulatory i ich dobór Pełny dobór regulatora wymaga: – wyboru rodzaju regulatora – wyboru typu regulatora – doboru nastaw. Wybór rodzaju regulatora (na podstawie stosunku T0/T) T0/T < 0,2 - regulator dwupołożeniowy lub trójpołożeniowy 0,2 < T0/T < 1 regulator ciągły T0/T > 1 regulator impulsowy. Systemy wbudowane Typy regulatorów ciągłych Regulator proporcjonalny – typu P Regulator proporcjonalno-całkujący – typu PI Regulator proporcjonalno-różniczkujący – typu PD Regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkujący – typu PID Systemy wbudowane Regulatory – dobór typu regulatora Ogólne zasady: – działanie różniczkujące D wprowadza dodatnie przesunięcie fazowe i zwiększa pasmo przenoszenia układu, – działanie całkujące I wprowadza ujemne przesunięcie fazowe i zmniejsza pasmo przenoszenia układu, – działanie całkujące zwiększa rząd astatyzmu układu. Systemy wbudowane Regulator proporcjonalny – typu P Sygnał sterujący ut k p e(t ) kp – współczynnik wzmocnienia regulatora Transmitancja operatorowa regulatora a) idealnego b) rzeczywistego Gr (s) k p 1 x p 100% kp G r (s) kp 1 sT współczynnik proporcjonalności Systemy wbudowane Regulator proporcjonalny – typu P a) u e b)u k pe e kpe e e t t T Systemy wbudowane Regulator proporcjonalno-całkujący - typu PI Sygnał sterujący t 1 u t k p et e d Ti 0 kp – współczynnik wzmocnienia regulatora Ti - stała zdwojenia Transmitancja operatorowa regulatora a) idealnego 1 G r (s) k p (1 ) Tis b) rzeczywistego kp 1 G r (s) (1 ) 1 sT Tis Systemy wbudowane Regulator proporcjonalno-całkujący - typu PI u u e PI PI I P kpe kpe T P e I Ti t Ti t Systemy wbudowane Regulator proporcjonalno-różniczkujący – typu PD Sygnał sterujący de(t ) u t k p et Td dt kp – współczynnik wzmocnienia regulatora Td - stała wyprzedzenia Transmitancja operatorowa regulatora rzeczywistego idealnego Gr (s) k p (1 Tds) G r (s) kp 1 sT (1 Td s) Systemy wbudowane Regulator proporcjonalno-różniczkujący – typu PD b) a) u U kpe e t Systemy wbudowane Regulator proporcjonalno-całkującoróżniczkujący – typu PID Sygnał sterujący t 1 det u t k p et e d Td Ti 0 dt kp,Ti,TD - j.w. Transmitancja operatorowa regulatora idealnego 1 G r (s) k p (1 Tds) Tis rzeczywistego kp 1 G r (s) (1 Tds) 1 sT Tis Systemy wbudowane Regulator proporcjonalno-całkującoróżniczkujący – typu PID a) b) u k T de pT Systemy wbudowane Regulatory – dobór nastaw (metoda Zieglera-Nicholsa) Dla regulatora typu P kp = 0,5 kkr Dla regulatora typu PI kp = 0,45 kkr, Ti = 0,85 tkr Dla regulatora typu PID kp = 0,6 kkr, Ti = 0,5 tkr, Td = 0,12 tkr SW - Regulacja dyskretna Sygnał regulujący Sygnał regulowany y Obiekt Element pomiarowy Element wykonawczy Sygnał sterujący y1 u Regulator e Uchyb Sygnał pomiarowy x Sterownik komputerowy, mikrokontroler Zadajnik Systemy wbudowane SW- Regulacja dyskretna Warunek Shannona f 2 p 2 g T T 1 2T 3T 2 3 Oś czasu nT 4 5 T – czas impulsowania n-1 n n+1 Systemy wbudowane SW- Regulacja dyskretna Twierdzenie Shannona-Kotielnikowa Każdą funkcję ciągłą f(t), której widmo jest ograniczone (tzn. powyżej pulsacji ωg widmo jest równe zeru) można przedstawić w dyskretnych chwilach odległych od siebie o czas T zachowując informacje o wartości funkcji w dowolnej chwili, o ile tylko T spełnia warunek: 2 p 2 g T Systemy wbudowane Dyskretne wersje regulatorów Sygnał sterujący generowany przez regulator ciągły PID (*) t 1 det u t k p et e d Td Ti 0 dt Składowa proporcjonalna - P uP n k p e(n) Składowa różniczkująca - D e(n) e(n 1) u D n k pTd T Składowa całkująca - I T uI n k p Ti n e( j) j 0 Systemy wbudowane Regulator PID – wersja pozycyjna Dyskretna wersja regulatora PID (**) T u n k p en Ti Td e( j ) e(n) e(n 1) T j 0 n T u I n k P [ I n1 e(n)] Ti Td uD n k P e(n) e(n 1) T Uśredniona wartość pochodnej Td e(n) e(n 3) 3e(n 1) 3e(n 2) uD n k P 6T Systemy wbudowane Regulator PID – wersja przyrostowa un u p (n) uI (n) uD (n) (***) u p n k p e(n) e(n 1) k p e(n) n 1 Tn T u I n k p e( j ) e( j ) k p e(n) Ti j 0 Ti j 0 TD e(n) e(n 1) e(n 1) e(n 2) u D n k p T TD e(n) 2e(n 1) e(n 2) kD T Systemy wbudowane Uproszczony opis dynamiki obiektów Charakterystyki obiektów statycznych Charakterystyki obiektów astatycznych y y t T1 t T2 T y Ti y T0 Tz t T0 Tz t Systemy wbudowane Regulatory dyskretne – dobór nastaw Podobnie jak w przypadku regulatorów ciągłych, określa się dla dyskretnych regulatorów zasady doboru nastaw zgodnie z regułami uproszczonych transmitancji obiektów (na podstawie wartości parametrów T0 oraz Tz (wg Takahashi). Dla regulatora typu P: kp 1 Tz k T0 T Tz 0,9 kp k T0 0,5T Dla regulatora typu PI: Ti 3,33(T0 0,5T ) Dla regulatora typu PID: 1, 2 Tz kp k T0 T 2(T0 0,5T )2 Ti T0 T Td 0,5(T0 T ) Systemy wbudowane Regulatory dyskretne – uwagi praktyczne Wybór wartości okresu impulsowania • istotne zadanie w procesie projektowania komputerowego systemu sterowania • problem ten należy raczej do sztuki niż nauki (trudno opisać go w sposób ścisły): •zbyt długi okres próbkowania może zmniejszyć efektywność regulacji, szczególnie przy występowaniu szybkich zakłóceń. W szczególności gdy okres próbkowania jest dłuższy od czasu odpowiedzi układu wówczas zakłócenie może zmienić przebieg procesu zanim regulator wpłynie na zmianę procesu. Oznacza to, że przy wyborze okresu próbkowania należy uwzględnić zarówno dynamikę procesu jak i charakterystyki zakłóceń. •zbyt mały okres próbkowania (zbyt duża częstotliwość próbkowania) zwiększa skutecznie obciążenie komputera. Dobór czasu próbkowania wymaga zatem uwzględnienia parametrów systemu komputerowego. Systemy wbudowane Regulatory dyskretne – uwagi praktyczne Ograniczenie sygnałów sterujących Wyjścia regulatora muszą być ograniczone co najmniej z dwóch powodów: •amplituda nie powinna przekraczać zakresu przetwarzania A/C •nie powinna być większa niż zakres wejściowy urządzenia wykonawczego. Wynika z tego, że algorytm regulacji winien zawierać funkcje ograniczające. W przypadku postaci przyrostowej algorytmów sterowania wartości przyrostów mogą być zbyt małe, aby w sposób znaczący skompensować zakłócenie. Należy wówczas wprowadzić pewną strefę nieczułości, większą od rozdzielczości przetwornika A/C.