Metodyka projektowania systemów sterowania - eia.pg.edu.pl · Komputerowe systemy sterowania...
Transcript of Metodyka projektowania systemów sterowania - eia.pg.edu.pl · Komputerowe systemy sterowania...
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 1
Metodyka projektowania systemów sterowania
Uwagi wstępne
Inżynieria sterowania (Control Engineering) odgrywa dziś fundamentalną rolę w nowoczesnych systemach technologicznych, ……
Korzyści ze sterowania w przemyśle, …. mogą być wielorakie - poprawa jakości produktu - obniżenie zużycie energii - minimalizacja odpadów - podniesienie poziomu bezpieczeństwa - redukcja zanieczyszczeń otoczenia - ………
Ale
Zaawansowane aspekty inżynierii sterowania wymagają dobrych podstaw matematycznych (dynamika, stabilność, jakość, obserwowalność, sterowalność, ………..
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 2
Uwagi c.d.
Sukces projektu systemu sterowania zależy od dwóch kluczowych składników - posiadania wystarczającego rozumienia systemu sterowanego
(chemicznego, elektromechanicznego, ……….) - posiadania wiedzy z zakresu podstawowych pojęć: sygnałów, systemów, teorii sterowania, struktur, algorytmów, ……
Projekt sterowania procesem przemysłowym, ………… aby wypełniał on wymagania opłacalności, jakości, bezpieczeństwa, wpływu na środowisko wymaga ścisłej współpracy pomiędzy ekspertami z różnych dziedzin – technologii procesu, techniki komputerowej, mechaniki, pomiarów i oprzyrządowania, sterowania
Ale
Każdy z nich będzie patrzył na proces technologiczny, ….. i jego sterowanie z innej perspektywy – z perspektywy swojej dziedziny
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 3
Inżynier technolog dziedzinowy – procesy, warunki ich poprawnego zachodzenia, ich powiązania, …..
Inżynier informatyk („komputerowiec”) – sprzęt i oprogramowanie komputerowe, infrastruktura lokalnej sieci komputerowej, systemy operacyjne, oprogramowanie aplikacyjne, ………
Inżynier pomiarów i oprzyrządowania – sensory, aktuatory, ich okablowanie, …..
Przykładowe perspektywy:
Inżynier sterowania (automatyk) – elementy systemu sterowania widziane w kategoriach sygnałów, systemów, dynamiki odpowiedzi, ich modeli lub ich właściwości, ………
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 4
Sygnały i systemy w pętlach sterowania
Przykłady fizykalne, namacalne
Przykłady matematycznej aproksymacji
Przykłady właściwości
Sygnały wartość zadana, wejście sterujące, zakłócenia, pomiary, …….
funkcja ciągła, ciąg próbek, proces przypadkowy, ……
analityczna, stochastyczna, sinusoidalna, stacjonarny, odchylenie standardowe, ……
Systemy proces, sterownik, sensor, aktuator, …….
równanie różniczkowe, równanie różnicowe, transmitancja, model przestrzeni stanu, …….
ciągły, dyskretny, próbkowany, liniowy, nieliniowy, stacjonarny, ……
Inżynier automatyk patrzy na system sterowania ze swojej perspektywy mając na uwadze inne perspektywy, ponieważ razem daje to całościowe spojrzenie na ten system
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 5
- projekty niekomercyjne (badawcze, edukacyjne, specjalne (np. wojskowe, kosmiczne, …);
º koszty nie są czynnikiem pierwszoplanowym, º pierwszoplanowe wymagania: parametry techniczne, niezawodność,
bezpieczeństwo, …..
Znaczenie kosztów projektu systemu sterowania
- projekty komercyjne
º rola czynnika kosztów zależy, od tego, czy sterowanie (sterownik) jest niedużym podukładem większego produktu komercyjnego (np. układ utrzymania stałej prędkości (cruise control) czy ABS w samochodzie czy ABS (Anti-Lock Breaking System), czy też jest częścią pojedynczego procesu technologicznego (np. układ sterowania ruchem robotów linii montażowej samochodów)
º w pierwszym przypadku koszty zwykle będziemy minimalizować (jak najprostsze rozwiązania), w drugim, wysiłek można skupić na uzyskaniu układu bardziej złożonego zapewniającego dobrą jakość produktu
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 6
Temperatura
pożądana Sterownik
temperatury
Ogrzewanie,
chłodzenie Mieszkanie
Obiekt
Czujnik
temperatury
Temperatura
mierzona
Temperatura otoczenia,
okna, drzwi, ludzie,
urządzenia
Wejś
cie
ste
rują
ce
Grz
anie
lu
b
ch
łodze
nie
Rze
czyw
ista
tem
pe
ratu
ra
Podstawowe znaczenie sterowania wykorzystującego sprzężenie zwrotne
Prędkość
pożądana Sterownik
prędkości
Przepustnica,
silnik Samochód
Obiekt Prędkość
mierzona
Nachylenie drogi, wiatr,
pasażerowie, obciążenie
Wejś
cie
ste
rują
ce
Rze
czyw
ista
prę
dko
ść
S
iła
prz
yśp
iesze
nia
Czujnik
prędkości
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 7
Sterownik/algorytm sterowania ze sprzężeniem zwrotnym jest systemem podejmowania decyzji, który zbiera informacje z otoczenia dla zdecydowania jak wykorzystać je dla realizacji określonych zadań sterowania
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 8
Elementy nowoczesnego jednowymiarowego systemu sterowania
Aktuatory System Sensory
Wyjście
Szumy Szumy Zewnętrzne zakłócenia
Wejście operatora
Komputer
Obiekt
Sterownik
Obiekt: System fizyczny, aktuatory, sensory
Sterownik: Mikrokomputer plus sprzętowe przetwarzanie
Sprzężenie: Połączenie pomiędzy wyjściem obiektu a wejściem sterownika
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 9
Wymagania projektowe stawiane systemowi sterowania
Śledzenie trajektorii wejściowego sygnału referencyjnego (wejściowego sygnału wartości zadanej)
Śledzenie oznacza zdolność sterownika do wpływania na wejście obiektu (manipulowania wejściem obiektu) w taki sposób, aby trajektoria wyjścia obiektu pozostawała tak blisko jak to jest możliwe trajektorii sygnału referencyjnego
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 10
Czy można zapewnić śledzenie nie stosując sprzężenia zwrotnego?
Prędkość
pożądana Sterownik
prędkości Przepustnica,
silnik Samochód
Obiekt
Prędkość
mierzona
Nachylenie drogi, wiatr,
pasażerowie, obciążenie
We
jście
ste
rują
ce
S
iła
prz
yśpie
szenia
Nie można zrealizować (lub może to być bardzo trudne) śledzenia nie stosując sprzężenia zwrotnego
Sterowanie w układzie otwartym
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 11
Redukowanie wpływu niepomyślnych warunków (i niemierzonych)
- Odrzucanie niemierzonych zakłóceń
- Niewrażliwość na zmiany parametrów obiektu
Zdolność redukowania wpływu niepomyślnych warunków nazywamy krzepkością (odpornością)
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 12
Czy można zapewnić krzepkość nie stosując sprzężenia zwrotnego?
Prędkość
pożądana Sterownik
prędkości Przepustnica,
silnik Samochód
Obiekt
Prędkość
mierzona
Nachylenie drogi, wiatr,
pasażerowie, obciążenie
We
jście
ste
rują
ce
S
iła
prz
yśpie
szenia
Nie można zapewnić (lub może to być bardzo trudne) krzepkości nie stosując sprzężenia zwrotnego
Sterowanie w układzie otwartym
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 13
Odpowiedź niestabilna
Czas (s)
Prę
dkość
(mile
/h)
Zachowanie w kategoriach odpowiedzi czasowej (jakość sterowania (w dziedzinie czasu)
- Stabilność asymptotyczna
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 14
Czas narastania i przeregulowanie
Prę
dkość (
mile
/h)
Czas (s)
- Czas narastania
- Przeregulowanie
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 15
Czas ustalania
Prę
dkość (
mile
/h)
Czas (s)
- Czas ustalania
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 16
Uchyb ustalony
Prę
dkość (
mile
/h)
Czas (s)
- Uchyb ustalony
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 17
Wymagania inżynierskie względem systemu sterowania
- Koszt
- Ile będzie kosztowało zastosowanie sterownika? Ile czasu zajmie opracowanie sterownika? Koszt sensorów, aktuatorów, sterownika, wyposażenia innego? Liczba osobomiesięcy niezbędna dla zaprojektowania, wykonania, odbioru technicznego, utrzymania?
- Złożoność obliczeniowa
- Czy wymagania obliczeniowe sterownika nie przekroczą możliwości sprzętu komputerowego? Czy nie przekroczone zostaną wymagania pracy w czasie rzeczywistym?
- Wykonalność
- Czy sterownik będzie stawiał jakieś specjalne wymagania sprzętowe, aby go zastosować?
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 18
- Niezawodność
- Czy system będzie zawsze działał właściwie? Jak można zaprojektować system, aby minimalizować liczbę uszkodzeń? Co powoduje te uszkodzenia? Sensory, sterownik, aktuatory, połączenia komunikacyjne?
- Utrzymanie i konserwacja
- Czy łatwo będzie utrzymywać system w działaniu?
- Adaptowalność
- Czy ten sam projekt można będzie przystosować do użycia z podobnym obiektem?
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 19
- Modyfikowalność (otwartość)
- W jakim stopniu system będzie musiał być przeprojektowany, aby można było do niego dołączyć nowy sprzęt, nową funkcję? Czy łatwo połączyć system z innymi?
- Zrozumiałość
- Czy określeni ludzie będą w stanie zrozumieć zastosowane podejście do sterowania?
- Polityka
- Czy twój szef jest przeciwny twemu podejściu? Czy twoje podejście jest zbyt nowatorskie i odbiega istotnie od standardów firmy? Czy twoje podejście jest zbyt ryzykowne?
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 20
Metodyka projektowania systemów sterowania (jednowymiarowych)
1. Zrozumienie obiektu i określenie zadań sterowania
Proces
(obiekt)
Zdobądź intuicyjne
rozumienie procesu
(obiektu)
Określ wymagania
projektowe
Modelowanie
Zrozumienie obiektu, możliwości, ograniczeń
- rozmowa z technologiem
- zapoznanie się z dokumentacją obiektu
- zbieranie informacji z obiektu
- wykonanie eksperymentów na obiekcie
Określenie wymagania projektowe
- samodzielnie
- w porozumieniu z zamawiającym, zarządem firmy, ….
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 21
Proces
(obiekt)
Modelowanie fizykalne,
identyfikacja
Aproksymacje
(redukcja rzędu modelu, linearyzacja, itp.)
Model
referencyjny Model
projektowy
2. Zbudowanie modeli i reprezentacji niepewności
Modelowanie tworzy podstawę klasycznego projektowania systemów sterowania
Żaden model nie jest doskonały, ale niepewności mogą być modelowane i uwzględniane w procesie projektowania
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 22
Proces
(obiekt)
Modelowanie fizykalne,
identyfikacja
Aproksymacje
(redukcja rzędu modelu, linearyzacja, itp.)
Model
referencyjny Model
projektowy
2. Zbudowanie modeli i reprezentacji niepewności – c.d.
Model referencyjny – model na tyle wierny rzeczywistości na ile pozwala nam nasza wiedza i możliwości obserwacji
Zwykle ostatecznie przyjmuje postać modelu symulacyjnego
Model projektowy – uproszczenie modelu referencyjnego stosowane w syntezie sterownika
Stosowane uproszczenia: - redukcja rzędu - linearyzacja
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 23
Model
projektowy
Model
referencyjny
Proces
(obiekt)
Eksperymentuj/porównuj
proces i modele
Oceń przydatność
modelu, popraw modele
Ucz się zachowania
systemu
Określ własności systemu (np.
stabilność, sterowalność,
obserwowalność)
Modyfikuj model projektowy
dla odzwierciedlenia
podstawowych własności
Konstruowanie sterownika
3. Analiza dokładności modelu i właściwości obiektu
Analizowane właściwości:
- stabilność
- sterowalność
- obserwowalność
- szybkość reakcji na wymuszenia
.
.
.
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 24
Modele referencyjny i projektowy
System sterowania
Projektowanie/
przeprojektowanie
sterowania
Matematyczne i
symulacyjne badanie
jakości
Wdrożenie i ocena
sterownika
4. Konstruowanie i ocena systemu sterowania
Do konstruowania sterownika wykorzystujemy model projektowy
Istnieje wiele efektywnych metod klasycznych i zwykle dla rozważanego problemu istnieje możliwość zastosowania więcej niż jednej metody
Popularne metody:
- sterowanie PID
- linie pierwiastkowe, kompensatory, …
- metody przestrzeni stanu
- sterowanie optymalne
- sterowanie krzepkie
- sterowanie nieliniowe
- sterowanie adaptacyjne
- sterowanie stochastyczne
- systemy zdarzeń dyskretnych
- sterowanie hybrydowe
Synteza sterownika
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 25
4. Konstruowanie i ocena systemu sterowania – c.d.
Badanie jakości działania układu zamkniętego
Modele referencyjny i projektowy
System sterowania
Projektowanie/
przeprojektowanie
sterowania
Matematyczne i
symulacyjne badanie
jakości
Wdrożenie i ocena
sterownika
Badanie matematyczne – wykorzystanie modelu projektowego
Badanie symulacyjne – wykorzystanie modelu referencyjnego
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 26
4. Konstruowanie i ocena systemu sterowania – c.d.
Eksperymentalna ocena jakości działania układu zamkniętego
Modele referencyjny i projektowy
System sterowania
Projektowanie/
przeprojektowanie
sterowania
Matematyczne i
symulacyjne badanie
jakości
Wdrożenie i ocena
sterownika
Badanie na obiekcie – zwykle ograniczone możliwości
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 27
Uzyskanie intuicyjnego
rozumienia obiektu
System sterowania automatycznego
Wdrożenie sterownika
i ocena
Matematyczne i
symulacyjne badanie
jakości
Projektowanie/
przeprojektowanie
sterowania
Modelowanie
Określenie zadań
projektu
Proces wymagający
automatyzacji (obiekt)
Podsumowanie: Iteracyjna procedura projektowania z wykorzystaniem modelowania
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 28
Uzyskanie intuicyjnego
rozumienia obiektu
System sterowania automatycznego
Proces wymagający
automatyzacji (obiekt)
Określenie zadań
projektu
Projektowanie/
przeprojektowanie
sterowania (heurystyczne)
Wdrożenie sterownika
i ocena
Brak modelu: wykorzystanie podejścia heurystycznego
Przyczyny:
- proces zbyt skomplikowany
- brak środków na budowę modelu
- proces niezbyt wymagający
Komputerowe systemy sterowania 2011/2012 Metodyka projektowania systemów sterowania
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 29
Dziękuję za uczestnictwo w wykładzie i uwagę