Transcript Reglerteknik är konsten att få saker att uppföra sig som man vill”

Vad är reglerteknik?!
Välkomna till
Reglerteknik 2013!!!
”Reglerteknik är konsten att få saker
att uppföra sig som man vill”!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Exempel på reglerproblem!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Fartreglering, undvika
kollision!
Föreläsning 1!
Industrirobot!
Avstånd/hastighet
Undvika kollision!
Dosering av insulin!
Tillflöde av insulin, mätningar av
blodsockernivån.!
Föreläsning 1!
Exempel på reglerproblem!
En robotarm är relativt vek, och oscillerar kraftigt efter förflyttningar.!
!
För att uppnå den snabbhet och precision som behövs krävs reglerteknik.!
Föreläsning 1!
Föreläsning 1!
Thomas Schön!
Reglerteknik!
Institutionen för systemteknik (ISY)!
Linköpings universitet!
!
E-mail: [email protected]!
Tel:
!281373!
Kontor: !B-huset ingång 25-27!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
1
Moderna stridsflygplan!
!
Segway!
!
Ibland medvetet designade så att de inte
går att flyga manuellt (för att få bättre
prestanda och flygegenskaper).!
!
Kräver ett reglersystem.!
!
Om reglersystemet har designfel kan!
det gå illa och det är precis detta som!
var orsaken till krascherna 89’och 93’.!
Ett mycket bra exempel på en produkt där
hela ide’n bygger på att man har en
regulator.!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Föreläsning 1!
Exempel på reglerproblem!
Föreläsning 1!
Exempel på reglerproblem!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Exempel på reglerproblem!
Exempel på reglerproblem!
Hårddiskar!
!
Automatiserad narkos!
!
Läsarmen måste positioneras på exakt
rätt plats så snabbt som möjligt
(positionsreglering), samtidigt som
skivan roterar med rätt hastighet
(varvtalsreglering).!
!
Utan reglering svänger armen vid
förflyttningar och man måste vänta
länge tills armen är still innan man kan
läsa data.!
Ett reglersystem ersätter/hjälper
narkossköterskan (fortfarande i
forskningsstadie)!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Föreläsning 1!
Föreläsning 1!
Systemet reglerar medvetandegraden.!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
2
Exempel på reglerproblem inom biologi/kemi!
Exempel på reglerproblem!
•  Bioreaktor!
•  Destillationskolonner!
Moderna bilar!
•  Läkemedelsdosering!
•  Kemiska reaktorer (exempel idag)!
De flesta förkortningarna i försäljningsbrochyren döljer ett reglersystem!!
•  Medicinsk teknik: hjärtlungmaskiner, dialysapparater, etc.!
•  Värmeväxlare!
!
•  Förbränningsprocesser!
•  Populationsdynamik!
Föreläsning 1!
För TB: Det finns även en rad
intressanta exempel i
projektkursen i systembiologi!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Föreläsning 1!
ABS (Anti-lock Braking System, reglering av bromskraft)!
ESC (Electronic Stability Control, reglering av spårstabilitet)!
ACE (Active Cornering Enhancement, reglering av stötdämpare i kurvor)!
TCS (Traction Control System, reglering av vägfäste)!
ACC (Adaptive Cruise Control, reglering av fart/avstånd) !
ANC (Active Noise Control, reglering av ljud)!
…!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Exempel på reglerproblem!
Exempel på reglerproblem!
Extremt stora teleskop!
!
Vi har nått gränsen för hur stora speglarna kan göras.!
!
Stora teleskop byggs med massvis av små speglar
som sedan kontinuerligt styrs så att bilden blir skarp
(kallas adaptiv optik).!
Mobiltelefoni!
!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Föreläsning 1!
Föreläsning 1!
Reglerteknik används för att reglera
signalstyrka i kommunikationen mellan
mobiltelefon och basstation.!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
3
Reglerteknik!
Reglerproblemet – abstraktion!
Vad är gemensamt för samtliga problem?!
Störsignal (v)!
•  Förbättrar existerande tekniska system!
•  Centralt område för många av Sveriges teknikföretag!
Styrsignal (u)!
•  Tacksamt område med många roliga tillämpningar!!
(insignal)!
System (S)!
“Sak”!
Mätsignal (y)!
(utsignal)!
•  Mycket intressant matematik!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
u – Styrsignal (insignal)!
y – Mätsignal (utsignal)!
v – Störsignal!
S – System, process!
Föreläsning 1!
Sammanfattningsvis kan sägas att reglerteknik finns nästan
överallt, men är ofta dold (“the hidden science”).!
Föreläsning 1!
Reglerproblemet: Välj styrsignalen u (automatiskt) så att systemet
(enligt mätsignalen y) uppför sig som vi vill (enligt referenssignalen r)
trots störningar v.!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Strategier för att lösa reglerproblemet (I/III)!
Strategier för att lösa reglerproblemet (II/III)!
2. Framkoppling från störsignal!
1. Öppen styrning!
Störsignal (v)!
Störsignal (v)!
Referenssignal (r)!
Regulator!
Styrsignal (u)!
System (S)!
“Sak”!
Referenssignal (r)!
Mätsignal (y)!
Regulator!
Styrsignal (u)!
System (S)!
“Sak”!
Mätsignal (y)!
Problem med framkoppling:!
Problem med öppen styrning:!
•  Tar inte hänsyn till störningar!
•  Det finns fler, icke mätbara störningar, som påverkar y.!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Föreläsning 1!
•  Förutsätter fullständig kunskap om systemets funktion,
speciellt hur störningarna fungerar.!
Föreläsning 1!
•  Förutsätter fullständig kunskap om systemets funktion!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
4
Strategier för att lösa reglerproblemet (III/III)!
Störsignal (v)!
3. Återkoppling!
Referenssignal (r)!
Regulator!
Exempel - aktiva säkerhetssystem!
Styrsignal (u)!
System (S)!
“Sak”!
Reglermål: Hålla kvar bilen i den egna filen om vi är på väg in i en farlig
situation.!
Mätsignal (y)!
Fördelar med återkoppling:!
•  Behöver INTE exakt kunskap om systemet!
•  Tar hänsyn till störningar på utsignalen (även icke mätbara)!
Föreläsning 1!
•  Kan leda till instabilitet.!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Lösning via en s.k. PD regulator.!
Används även för autobroms, se artikel i DN (30 mars, 2013) !
http://www.dn.se/nyheter/sverige/autobroms-mer-effektivt-mot-bilolyckor-an-vantat!
Föreläsning 1!
•  Instabila system kan stabiliseras!
Nackdel med återkoppling:!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Ytterligare ett exempel (I/II)!
Ytterligare ett exempel (II/II)!
Störsignal (v)!
Reglermål: Stabilisera bilens kursvinkel (eng: yaw rate control)!
Standardmanöver, dubbelt filbyte i 100 km/h. Regulatorn påverkar
framhjulens vinkel (aktiv styrning).!
Referenssignal (r)!
Med regulator!
Filmerna är använda med tillstånd från ZF Lenksysteme!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Styrsignal (u)!
Hjulvinkel (u)!
System (S)!
“Sak”!
Mätsignal (y)!
Kursvinkelhastighet (y)!
Föreläsning 1!
Utan regulator!
Föreläsning 1!
Rattvinkel (r)!
Regulator!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
5
Narkosreglering!
Sveriges ekonomi!
Störsignal (v)!
Styrsignal (u)!
System (S)!
“Sak”!
droger (u)!
Referenssignal (r)!
Mätsignal (y)!
Medvetande (y)!
Regulator!
2 %!
Styrsignal (u)!
System (S)!
“Sak”!
Ränta (u)!
Mätsignal (y)!
Inflation (y)!
Föreläsning 1!
> Död (r)!
Regulator!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Föreläsning 1!
Referenssignal (r)!
Störsignal (v)!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Vilka är svårigheterna med reglerteknik?!
Kursens syfte!
•  Visa principerna i de vanligaste reglersystemen!
•  Lära ut!
•  Det finns störningar på systemet, såsom t.ex. ändringar i temperatur,
flöden, koncentrationer som vi inte har kontroll över.!
•  konstruktion och!
•  utvärdering!
av regulatorer för linjära system med en insignal och en utsignal.!
•  Systemet är aldrig helt känt. Kemiska och biologiska förlopp är
komplicerade.!
•  Stabilitet!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Föreläsning 1!
Föreläsning 1!
•  Prestandakrav!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
6
Metoder!
Praktiskt om kursen!
Konstruktion och utvärdering innebär att vi behöver en kvantitativ
matematisk beskrivning (modell) av processen. För detta kommer vi
använda!
•  Differentialekvationer!
•  Laplacetransformer!
• 
Examinator och föreläsare: Thomas Schön!
• 
12 föreläsningar (teori, exempel)!
• 
13 lektioner (varav 4 i datorsal) (räkna och diskutera, fråga)!
• 
3 laborationer (labkurs 1.5hp, lab-PM finns på hemsidan)!
1.  PID-regulatorer (laboteket), lek och lär!
2.  Modellbaserad reglering (laboteket). Mycket självständig
laboration, förberedelser och rapport!
Övrig matematik som kommer användas:!
•  Komplexa tal!
3.  Reglering av inverterad pendel (datorsal), förberedelser och dugga!
•  Linjär algebra (matrisräkning)!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Börja i god tid med förberedelseuppgifterna!!
Föreläsning 1!
Föreläsning 1!
•  Egenvärden!
•  Anmälningar till laborationen görs via nätet, se länk på kurshemsidan.!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Mer praktiskt om kursen!
Innehåll föreläsning 1!
•  All kursinformation inkl. föreläsningsmaterial finns på kursens hemsida!
Reglertekniks hemsida!
www.control.isy.liu.se/!
!
!
1.  Inledning!
2.  Vad är reglerteknik?!
Courses!
3.  Administrativt om kursen!
Grundkurser!
4.  Matematiska modeller med differentialekvationer!
5.  Enklaste återkopplingen: P-regulator!
Reglerteknik!
•  Ställ gärna frågor!!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Föreläsning 1!
•  Tenta: Bok med normal anteckningar är tillåtet hjälpmedel!
Föreläsning 1!
•  Eller direkt: www.control.isy.liu.se/student/tsrt03/!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
7
Kemisk reaktor, bioreaktor!
Några begrepp som får summera föreläsning 1!
Reglerteknik: “Konsten att få system att uppföra sig som vi vill”.!
Insignaler: inflöde, utflöde,
uppvärmning, kemikaliedosering,
…!
Signaler: Funktioner av tiden som innehåller information.!
System: Ett objekt som drivs av insignaler och som respons på dessa
producerar utsignaler.!
Utsignaler: vätskenivå,
temperatur, pH, koncentrationer,
…!
Modell: Förenklad beskrivning av verkligheten. I denna kurs, en
matematisk beskrivning av det system vi studerar. !
Dynamiska system: System där utsignalen just nu inte enbart beror
av nuvarande insignaler utan även av tidigare insignaler. Det är system
med “minne”.!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
Differentialekvationer: Används som modell för att beskriva vårt
dynamiska system. Naturligt, eftersom de innehåller derivator av
signalerna m.a.p. tiden (dynamik).!
Föreläsning 1!
Föreläsning 1!
Reglermål: Hålla temperaturen i reaktorn konstant trots
variationer i temperatur hos den inflödande vätskan.!
Återkoppling: För tillbaka information om det som hänt. Reglerteknik
är läran om återkopplade system.!
Reglerteknik, TSRT03!
T. Schön!
8