Irányítástechnika. Dr. Turóczi Antal

Irányítástechnika

Dr. Turóczi Antal [email protected]

Bevezető • A tárgy célja – Irányítástechnikai • alapfogalmak • alapismeretek • módszerek

megismertetése

• Irányítási rendszerek működésének megértéséhez, • Mérnöki szemlélet kialakításához

2

Bevezető • Tananyag – – – – – – – – – – – –

Bevezetés, az irányítástechnika alapfogalmai Matematikai alapok, dinamikus rendszerek Lineáris rendszerek építőelemei, folytonos idejű folyamatok leírása Lineáris folytonos idejű rendszerek stabilitása, minőségi jellemzők Diszkrét idejű folyamatok rendszertechnikai leírása Diszkrét idejű rendszerek stabilitása, minőségi jellemzők Lineáris tagok jelátvivő tulajdonságai Lineáris szabályozás stabilitása, vizsgálati módszerek Szabályzási kör zavarelhárítási tulajdonságai Szabályzási kör szintézise, kompenzációs szabályzók Mintavételes rendszerek tulajdonságai Digitális irányító rendszerek tervezése, felépítése, komponensei, sajátosságai – Digitális jelformálás, jelfeldolgozás

3

Bevezető • Követelmények – Heti óraszámok: 2 óra előadás – Számonkérés módja: félév közben: 2 zh, • 7. hét • 13.hét • 14. hét -

1.zh (on-line zh, tesztkérdések) 2.zh (on-line zh, tesztkérdések) pót zh-k (on-line zh, tesztkérdések)

– A vizsgára bocsátás feltétele, hogy mindkét ZH legalább 50%-os eredményű legyen • Írásbeli • Az első részben alapkérdésekre kell válaszolni (on-line vizsga, tesztkérdések) • Az első részben a kapható maximális pontszám legalább 51 százalékát el kell érni ahhoz, hogy a vizsga eredménye elégséges vagy jobb legyen • A vizsga második részében példákat kell megoldani • A végső pontszám az első és a második részre kapott pontok összege lesz 4

Bevezető • Ajánlott irodalom – Morócz I.: Irányítástechnika I., KKMF-1164, Budapest – Lantos Béla: Irányítási rendszerek elmélete és tervezése I. Egyváltozós szabályozások. Akadémiai Kiadó, 2. kiadás, 2005, ISBN 963 05 8249 X – További segédletek • http://nik.uni-obuda.hu/vill/Irtech/

5

Bevezető •

Az irányítás olyan művelet, mely valamely folyamatot elindít, fenntart, megváltoztat vagy megállít – Az irányítási művelet során általában kisebb energiájú hatásokkal befolyásolunk nagyobb energiájú folyamatokat. (példa: atomerőmű szabályzórudak, gőz-szelep,stb…)

•

„Az irányítástechnika a műszaki tudományok azon ága, amely a különféle (műszaki, biológiai, közgazdasági stb.) területeken az irányítási műveletek általános törvényszerűségeivel, vizsgálati módszereivel és az irányítások tervezésével és realizálásával foglalkozik” [Lantos Béla]

•

Az irányítástechnika célja, hogy adott rendszerek viselkedését általunk kívánt tulajdonságúvá, megadott szempontoknak, céloknak megfelelővé tegye.

• •

A technikai fejlődés elengedhetetlen alappillére Modern világunk elképzelhetetlen lenne az irányítástechnika vívmányai nélkül – Automatizált gyártósorok, ipari robotok, erőművek, repülőgépek, autóipar, vegyipar, űrkutatás…

6

Bevezető •

Példák irányítási rendszerekre: – Az emberi testben lejátszódó biokémiai folyamatok •

Vércukorszint állandó értéken tartása –

Éhségérzet, evés, táplálék lebontása, raktározás, zsírégetés … stb.

7

Bevezető •

Példák irányítási rendszerekre: – Az emberi testben lejátszódó biokémiai folyamatok •

Vércukorszint állandó értéken tartása –

Éhségérzet, evés, táplálék lebontása, raktározás, zsírégetés … stb.

– Ember által irányított folyamatok •

Poharat a szánkhoz emeljük –

•

Felkapcsoljuk a szobában a világítást –

•

Hogy világos legyen

A jegybank kamatot csökkent vagy emel –

•

Agyunk, mint döntéshozó (szabályozó) szerv, az érzékszerveink (látás, hallás, tapintás stb..) által közvetített információk alapján, az idegpályákon keresztül utasítást küld izmainkhoz, mint beavatkozó szervhez. A beérkező elektromos ingerek izmainkban mechanikai jellé alakulnak át, ezzel megvalósítva az irányítás célját.

Az inflációs célkitűzések tartása végett

Népességszabályozás Kínában –

Az 1-nél több gyereket vállaló szülők nem kapnak állami támogatást

– Önműködő folyamatok (emberi beavatkozás nélkül) •

WC tartály –

•

Hogy legyen mivel leöblíteni

Termosztátos olajradiátor –

Hogy meleg legyen a szobában

•

Időkapcsolós keringető-szivattyú

•

Utasszállító repülő robotpilótája

– –

Hogy tiszta legyen a medence vize Hogy komfortos legyen a repülés

8

Bevezető • Példák irányítási rendszerekre: – Hűtőszekrény • • • • •

A hűtőszekrény hőmérséklet érzékelője „méri” a hőmérsékletét Pl. 6,5°C-nál bekapcsol, 6°C-nál kikapcsol A belső hőmérséklet nem állandó, 6-6,5°C között ingadozik Állandóan nyitva hagyott ajtónál nem képes ellátni a feladatát Állásos szabályozás

9

Bevezető • Példák irányítási rendszerekre – Blokkolásgátló (ABS) • A kerék túlzott mértékű lassulása esetén az ABS utasítja a szabályzó szelepeket, hogy a blokkolást megelőzendő mérsékeljék a féknyomást. Ettől a kerék gyorsulni kezd. • Ha a kerék túlságosan felgyorsul, az ABS növeli a féknyomást • Ezt a kört egyes ABS-ek másodpercenként akár 15-20-szor is képesek megtenni. • Ennek eredménye – A fékek a maximális lassulás közelében tartják a járművet – A jármű kormányozható marad

10

Bevezető • Példák irányítási rendszerekre – Blokkolásgátló (ABS) • A kerék túlzott mértékű lassulása esetén az ABS utasítja a szabályzó szelepeket, hogy a blokkolást megelőzendő mérsékeljék a féknyomást. Ettől a kerék gyorsulni kezd. • Ha a kerék túlságosan felgyorsul, az ABS növeli a féknyomást • Ezt a kört egyes ABS-ek másodpercenként akár 15-20-szor is képesek megtenni. • Ennek eredménye – A fékek a maximális lassulás közelében tartják a járművet – A jármű kormányozható marad

11

Alapfogalmak •

Az irányítás – –

Olyan művelet, mely valamely folyamatot elindít, fenntart, megváltoztat vagy megállít Az ember részvétele szerint • •

–

Kézi: Az irányítás részműveletei közül egy vagy több emberi közreműködéssel történik. Önműködő: Az irányítás emberi beavatkozás nélkül történik.

Részműveletei: • • • • • •

Célkitűzés: Az irányított jellemző állandó értékének vagy időbeni változásának előírása. Érzékelés: információ szerzése az irányítás tárgyát képező irányítandó berendezésről, folyamatról Ítéletalkotás: döntés az információ feldolgozása alapján a beavatkozás szükségességéről. Rendelkezés: utasítás a beavatkozásra Jelformálás: A beavatkozás mértékének és időbeli lefolyásának beállítása. A hatáslánc tagjain áthaladó hatásokat „jel”-nek nevezzük. Legfontosabb Beavatkozás: az irányítás tárgyát képező berendezés, folyamat befolyásolása. jellemzője az információ tartalom. Jelhordozó lehet bármely fizikai, kémiai stb. állapothatározó Irányító rendszer, Célkitűzés (mennyiség) berendezés Ítéletalkotás, rendelkezés, jelformálás

Érzékelők

Beavatkozók

Információgyűjtés

Beavatkozás

Irányított rendszer, folyamat, berendezés, szakasz 12

Alapfogalmak • Célkitűzés: az irányítás célja – Az irányítási rendszerrel szemben támasztott követelmények • Legyen stabil • Az alapjelet megfelelően kövesse, vagyis az alapjeltől való eltérés (a hibajel) legyen minimális. Másképpen fogalmazva, a statikus hiba értéke közelítsen zérushoz. • A zavaró jelek hatását minimalizálja. • A paraméterváltozásokra kellően érzéketlen legyen. • Megfeleljen az egyéb követelményeknek.

13

Alapfogalmak • Célkitűzés: az irányítás célja – Az alapjel szerint • Értéktartás –

A rendszer irányított jellemzője a megkívánt állandó értékű legyen » Közvilágítás: este is legyenek viszonylag jó látási viszonyok » Tempomat: az autó haladjon állandó sebességgel » Fűtésrendszer: a lakás hőmérséklete legyen állandó

• Értékkövetés –

A rendszer irányított jellemzője a megkívánt időbeni lefutású legyen » Hegesztőrobot: a robot karja kövesse a hegesztési vonalat » Robotrepülő: az adott pályát követve repüljön

14

Alapfogalmak • Irányított rendszer, folyamat, berendezés, szakasz – Az irányítás tárgya, amelyet meghatározott célok elérése érdekében befolyásolni kívánunk • Irányított jellemző: Az irányított folyamat azon paramétere, amelyet az előírt módon kívánunk befolyásolása. – pl. hőmérséklet adott értéken tartása, pozíció időben előírt értékeinek elérése, stb…

• Módosított jellemző: Az irányított folyamat megváltoztatott jellemzője. Célszerűen ez a paraméter a leginkább alkalmas az irányított jellemző megváltoztatására. – pl. hőmérsékletszabályzásnál → fűtőteljesítmény, pozíciószabályozásnál → fordulatszám

• Zavaró jellemző: Olyan hatások, melyek nincsenek az irányító berendezés felügyelete alatt. Az irányítás egyik fő feladata, hogy a zavaró jellemzők hatását csökkentse vagy megszüntesse. – pl. hőmérsékletszabályzás – környezeti hőmérséklet ingadozása

15

Alapfogalmak • Irányított rendszer, folyamat, berendezés, szakasz – A műszaki, termelési és technológiai folyamatokban rendszerint anyag és/vagy energia átalakulás történik – A folyamat jelei:

Irányító jelek (módosított jellemzők)

• Belső jelek (állapot változók)

Energia 1 Anyag 1

– Egymás közötti összefüggéseik írják le a folyamat mozgását

• Bemenő jelek

-Irányított rendszer -Irányított folyamat -Irányított berendezés -Irányított szakasz

– A folyamatot érő külső hatások – Irányító jelek, zavaró jelek

• Kimenő jelek

Zavarójelek

– A folyamat kívülről megfigyelhető jelei – A belső mozgásról nyerhető információk Kimeneti jelek (Irányított jellemzők)

16

Energia 2 Anyag 2

Alapfogalmak • Érzékelők –

Feladata: Az érzékelendő fizikai jellemzővel arányos (általában villamos) jel előállítása • • • • • • •

Hőmérséklet Fordulatszám, szöghelyzet Gyorsulás, sebesség, távolság Nyomás Megvilágítás Áram, feszültség, teljesítmény, mágneses tér Stb…

– Szabványos analóg vagy digitális kimeneti jel • • • •

+4...+20mA 0...+10V TTL, CMOS, LVDS… RS422, RS485, USB…

17

Alapfogalmak • Beavatkozók –

Feladatuk az irányított folyamat közvetlen befolyásolása

– – – – – –

Kapcsolók, relék Szelepek Villamos gépek Pneumatikus, hidraulikus hengerek Fűtőtestek Stb..

18

Alapfogalmak • Irányító rendszer, irányító berendezés – Feladata • • • •

Ítéletalkotás Rendelkezés Jelformálás Rendszerint magában foglalja az érzékelő és beavatkozó szerveket is – (Információgyűjtés) – (Beavatkozás)

– Digitális, ritkábban analóg számítógépek • PC-k (asztali, beágyazott, ipari…) • Beágyazott jelfeldolgozó áramkörök (mC, DSP, FPGA, CPLD) • PLC-k (Programmable Logic Controller)

19

Alapfogalmak • Tag – Az irányítási rendszer tetszés szerint kiválasztott része – Jelformáló tulajdonságát leíró összefüggéssel jellemezhető • Matematikai modell, jelleggörbe

– Bemenő jele a tagot működésre késztető külső jel – Kimenő jele a tag működése folyamán kialakuló jel

Xbe

Xki

Xbe

Xki

• Hatásvázlat – Az irányítási rendszer elvonatkoztatott ábrázolási módja, amely szemlélteti a rendszer részegységeinek egymásra gyakorolt hatását – A hatást közvetítő jeleket vonallal, a hatás irányát a tagokat összekötő nyilakkal szemléltetjük – A hatáslánc az irányítási rendszer azon szerkezeti egységeinek sorozata (láncolata), amelyeken a jel azonos hatásirányban halad

20

Irányítások osztályozása • Vezérlés – Nyílt hatásláncú irányítás, ahol az irányított jellemző nincs (közvetlen) hatással az irányítási folyamatra, az irányító jel tőle függetlenül alakul ki

•

Szabályozás – Zárt hatásláncú irányítás, ahol az irányított jellemző célkitűzéstől való eltérését használjuk fel magának az eltérésnek a csökkentésére, megszüntetésére.

21

Irányítások osztályozása • Vezérlés – Nyílt hatásláncú irányítás, ahol az irányított jellemző nincs (közvetlen) hatással az irányítási folyamatra, az irányító jel tőle függetlenül alakul ki

xr

Vezérlő berendezés

• • • •

xb

Beavatkozó szerv

xm

Irányított szakasz

xr - rendelkező jel, vezérlési parancs (cél) xb - beavatkozó jel, a beavatkozó szervet működteti xm - módosított jellemző, az irányított szakaszban lejátszódó folyamatot befolyásolja xv - irányított (vezérelt) jellemző

22

xv

Vezérlés • Vezérlés – Nyílt hatásláncú irányítás, ahol az irányított jellemző nincs (közvetlen) hatással az irányítási folyamatra, az irányító jel tőle függetlenül alakul ki Vezérlő berendezés

xr


• • • •

Beavatkozó szerv

xb

Beavatkozó szerv


xm


xr - rendelkező jel, a környezeti megvilágítottság alsó szintje alatt legyen közvilágítás xb - beavatkozó jel, a relét behúzó áram xm - módosított jellemző, a lámpatest feszültsége (be vagy ki) xv - irányított (vezérelt) jellemző, a közvilágítás, a lámpa fénye

23

xv

Vezérlés • Vezérlés – Nyílt hatásláncú irányítás, ahol az irányított jellemző nincs (közvetlen) hatással az irányítási folyamatra, az irányító jel tőle függetlenül alakul ki Vezérlő berendezés

xr


• • • •

Beavatkozó szerv

xb

Beavatkozó szerv


xm


xv

xr - rendelkező jel, pl. 2-es programon mosás, legyen tiszta ruha xb - beavatkozó jel, a programkapcsoló működteti a mosógép automatikáját xm - módosított jellemző, mosási folyamatok paraméterei (idő, hőmérséklet, vízhasználat stb…) xv - irányított (vezérelt) jellemző, a ruha tisztasága

24

Vezérlés • Vezérlés – Nyílt hatásláncú irányítás, ahol az irányított jellemző nincs (közvetlen) hatással az irányítási folyamatra, az irányító jel tőle függetlenül alakul ki xz

xr


• • • •

xb

Beavatkozó szerv

xm


Az utasítás kiadása után a folyamat ( valószínűleg ) lezajlik Az eredményéről azonban a vezérlő berendezésnek nincs közvetlen visszajelzés Az eredmény nem hat a rendszerre, legfeljebb egy újabb utasítás után A vezérlést úgy kell kialakítani, hogy az irányítási rendszert érő zavaró hatások (xz) ne befolyásolhassák jelentősen az irányított jellemzőt

– Az automatizált gyártósorokban rengeteg vezérlés található

25

xv

26

Irányítások osztályozása •

Szabályozás – – –

xa

Zárt hatásláncú irányítás, ahol az irányított jellemző célkitűzéstől való eltérését használjuk fel magának az eltérésnek a csökkentésére, megszüntetésére. Feltétele, az irányított jellemző mérése A rendelkező jelet a célkitűzéstől való eltérés hozza létre

xz

xr

+

xe

-

Szabályzó berendezés

xb

Beavatkozó szerv

xm


xs

Érzékelő szerv –

xs : szabályozott jellemző Annak a fizikai mennyiségnek a pillanatnyi értéke, amit szabályozni szeretnénk •

–

Hőmérséklet-szabályozásnál a hőmérséklet, fordulatszám-szabályozásnál a fordulatszám, szintszabályozásnál a folyadékmagasság, feszültség-szabályozásnál a feszültség, stb..

xs,a : alapérték A szabályozott jellemző megkívánt értéke (vele azonos fizikai dimenziójú mennyiség). Az alapértékkel fogalmazzuk meg a szabályozásnak a célkitűzését. Általában nem azonos az alapjellel. •

Pl: hőmérséklet-szabályozásnál: 21 °C hőmérséklet, fordulatszám-szabályozásnál: 1000 ford/perc szögsebesség

27

Szabályozás

–

xe : ellenőrzőjel Az érzékelő szerv kimenő jele. Általában nem ugyanaz a fizikai mennyiség, mint a szabályozott jellemző • •

–

xa : alapjel A szabályozott jellemző kívánt értékét - azaz az alapértéket - ezzel a jellel állítjuk be. Az ellenőrző jellel azonos fizikai dimenziójú, de az alapértékkel általában nem. •

–

1/20 [V/°C]

Egy pneumatikus munkahengernél 5V a légnyomás, egy elektromos fűtőszálnál a rajta átfolyó áram

xm : módosított jellemző Az a fizikai mennyiség amellyel hatni tudunk a szabályozott jellemzőre amely leginkább alkalmas a szabályozott jellemző befolyásolására. •

–

Pl: előző 0 – 5V kimeneti jelű hőmérséklet szenzornál 2,5V alapjel, 50°C alapértéknek felel meg

xb : beavatkozójel U [V] A szabályozandó folyamatba beavatkozó szerv működtető jele. •

–

Az érzékelő a szabályozott jellemző értékét általában (vele arányos) villamos jellé alakítja, adott átviteli tényezővel Pl: hőmérséklet szenzor: 0 – 100 °C hőmérséklet tartományt 0 – 5V kimenő jellel reprezentál, 1/20 [V/°C] átviteli tényezővel

2,5V

Pl: hőmérsékletszabályozásnál a fűtő/hűtő-teljesítmény, fordulatszám-szabályozásnál a motor tápfeszültsége stb…

xz : zavaró jellemző(k) Azok a hatások, melyek befolyásolják a szabályozott jellemzőt de nincsenek az irányítóberendezés felügyelete alatt. •

Pl: hőmérsékletszabályozásnál a külső hőmérsékletingadozás, fordulatszám-szabályozásnál a változó motorterhelés 50°C 100°C

T [°C]

28

Szabályozás

–

xe : ellenőrzőjel Az érzékelő szerv kimenő jele. Általában nem ugyanaz a fizikai mennyiség, mint a szabályozott jellemző • •

–

xa : alapjel A szabályozott jellemző kívánt értékét - azaz az alapértéket - ezzel a jellel állítjuk be. Az ellenőrző jellel azonos fizikai dimenziójú, de az alapértékkel általában nem. •

– –

Egy pneumatikus munkahengernél a légnyomás, egy elektromos fűtőszálnál a rajta átfolyó áram

xm : módosított jellemző Az a fizikai mennyiség amellyel hatni tudunk a szabályozott jellemzőre, amely leginkább alkalmas a szabályozott jellemző befolyásolására. •

–

Pl: előző 0 – 5V kimeneti jelű hőmérséklet szenzornál 2,5V alapjel, 50°C alapértéknek felel meg

xr : rendelkezőjel Az alapjel és az ellenőrzőjel különbsége: xr = xa - xe xb : beavatkozójel A szabályozandó folyamatba beavatkozó szerv működtető jele. •

–

Az érzékelő a szabályozott jellemző értékét általában (vele arányos) villamos jellé alakítja, adott átviteli tényezővel Pl: hőmérséklet szenzor: 0 – 100 °C hőmérséklet tartományt 0 – 5V kimenő jellel reprezentál, 1/20 [V/°C] átviteli tényezővel

Pl: hőmérsékletszabályozásnál a fűtő/hűtő-teljesítmény, fordulatszám-szabályozásnál a motor tápfeszültsége stb…

xz : zavaró jellemző(k) Azok a hatások, melyek befolyásolják a szabályozott jellemzőt de nincsenek az irányítóberendezés felügyelete alatt. •

Pl: hőmérsékletszabályozásnál a környezeti hőmérsékletingadozás, fordulatszám-szabályozásnál a változó motorterhelés

29

Szabályozás •

Angolszász nyelvterületen a magyar szabványtól eltérő jelöléseket használnak • • • • • • • •

xs xm xz xe xs,a xa xr xb

- szabályozott jellemző - módosított jellemző - zavaró jel - ellenőrző jel - alapérték - alapjel - rendelkező jel - beavatkozó jel

y - plant output, controlled variable up - plant input, manipulated variable d - disturbance ym - measured output, sensor output yd - desired plant output r - reference signal e - indicated error u - control signal, actuator input

30

Szabályozás •

A szabályozás működése 0V 2,5V 50°C

2,5V

1/20 [V/°C]

–

Ha a szabályozott jellemző pontosan megegyezik a célkitűzéssel: xs = xs,a • •

Nem kell a folyamatba beavatkozni, elértük a szabályozási célt (T = 50°C) Az alapjel és az alapérték közti kapcsolatot az érzékelő átviteli tényezője határozza meg

31

Szabályozás •

A szabályozás működése -0,5V 2,5V 60°C

3V

1/20 [V/°C]

–


–

Nem kell a folyamatba beavatkozni, elértük a szabályozási célt (T = 50°C) Az alapjel és az alapérték közti kapcsolatot az érzékelő átviteli tényezője határozza meg

Ha a szabályozott jellemző nagyobb az előírt értéknél • • •

A rendelkezőjel negatív lesz, jelzi, hogy csökkenteni kell a beavatkozást (csökkenteni kell a fűtőszál áramát) A szabályzó a beavatkozó szerven keresztül csökkenti a beavatkozás mértékét (csökken a fűtőteljesítmény) Csökken a szabályozott jellemző értéke (csökken a hőmérséklet)

32

Szabályozás •

A szabályozás működése +0,5V 2,5V 40°C

2V

1/20 [V/°C]

–


–

Ha a szabályozott jellemző nagyobb az előírt értéknél • • •

–

Nem kell a folyamatba beavatkozni, elértük a szabályozási célt (T = 50°C) Az alapjel és az alapérték közti kapcsolatot az érzékelő átviteli tényezője határozza meg A rendelkezőjel negatív lesz, jelzi, hogy csökkenteni kell a beavatkozást (csökkenteni kell a fűtőszál áramát) A szabályzó a beavatkozó szerven keresztül csökkenti a beavatkozás mértékét (csökken a fűtőteljesítmény) Csökken a szabályozott jellemző értéke (csökken a hőmérséklet)

Ha a szabályozott jellemző kisebb az előírt értéknél • • •

A rendelkezőjel pozitívlesz, jelzi, hogy növelni kell a beavatkozást (növelni kell a fűtőszál áramát) A szabályzó a beavatkozó szerven keresztül növeli a beavatkozás mértékét (nő a fűtőteljesítmény) Nő a szabályozott jellemző értéke (nő a hőmérséklet)

33

Szabályozás •

A szabályozás működése

– –

Szabályozásnál a visszacsatolás mindig negatív A rendelkező jelet különbségképzővel állítjuk elő, ha a szabályozási körben minden szerv pozitív működésű vagy páros számú olyan szerv van, amely negatív működésű •

–

Ellenkező esetben összeadóval

Megjegyzés: • •

Pozitív működésű egy szerv - ha növekvő bemenőjelre növekvő kimenőjellel válaszol. Negatív működésű egy szerv - ha növekvő bemenőjelre csökkenő kimenőjellel válaszol.

34

Szabályozás •

Szabályzási példák

xa +

xr -


xb

Beavatkozó szerv

xe

Érzékelő szerv

35

xm


xs

Szabályozás •

Szabályzási példák Szabályzó berendezés

xa +

xr -


Beavatkozó szerv

xb

Beavatkozó szerv

xe

Érzékelő szerv Érzékelő szerv

36


xm


xs

Szabályozás •


xa +

xr -


Beavatkozó szerv

xb

Beavatkozó szerv

xe


37


xm


xs

Szabályozás •


xa +

xr -


Beavatkozó szerv

xb

Beavatkozó szerv

xe


38


xm


xs

Irányítások osztályozása •

A szabályozás és vezérlés összehasonlítása – –

– –

–

•

Nagy irányítási rendszerekben túlnyomó részben szabályzásokkal találkozhatunk –

•

A vezérlés hatáslánca nyitott, a vezérlés eredményéről a vezérlő berendezés nem kap visszajelzést, működését kizárólag a rendelkező jel befolyásolja A szabályozási rendszer hatáslánca zárt, a szabályzó berendezést működtető rendelkező jel visszajelzést tartalmaz a megelőző beavatkozás eredményéről. A szabályozás a visszacsatolás elve alapján valósul meg. Ha megváltozik az alapjel, vagy a rendszert zavarás éri hibajel alakul ki. A hibajel hatására olyan beavatkozás történik, ami csökkenti a hibajelet. Vezérléssel csak előre jól ismert zavaró hatások küszöbölhetők ki. Szabályozással lehetőség van minden zavaró jel hatásának kiküszöbölésére. A vezérlés tervezésénél igen pontosan ismerni kell a rendszer jelátviteli tulajdonságait, mivel a beavatkozás hatásáról nincs visszajelzés. Szabályozásnál a visszacsatolás csökkenti a jelátviteli tulajdonságok hatását. Stabil irányított folyamatot feltételezve, a vezérlés mindig stabilisan működik, a zárt szabályozás azonban a visszacsatolás hatására instabillá válhat

pl. atomerőművek, olajfinomítók, gyártósorok stb.

De igen fontos szerepet kapnak a vezérlések is, főleg a rendszerek indítása és leállítása során – –

Bonyolult szekvenciális beavatkozás sorozatot kell elvégezni, jól definiált rendszerállapotokban Ezeket a vezérléseket tipikusan intelligens PLC-kel valósítják meg

39

Szabályozás • Szabályozások osztályozása – Alapjel szerint • Értéktartó szabályozás – A cél, a zavaró hatások ellenére a szabályozott jellemző előírt értéken tartása

• Követő szabályozás – A cél, hogy a szabályozott jellemző időben változó jelet kövessen

– A jelátvivő tagok matematikai modellje szerint • Lineáris szabályozás – Ha a szabályozási kör minden tagjára érvényes a szuperpozíció elve

• Nemlineáris szabályozás – Ha a szuperpozíció elve a szabályozási kör legalább egy tagjára nem érvényes

– A jelek időbeni viselkedése szerint • Folytonos idejű (analóg) – Ha minden jel folyamatos jel

• Diszkrét idejű (mintavételes) – Ha a jelek szaggatottak

– A jelek értékének meghatározottsága szerint • Determinisztikus szabályozás – Ha a szabályozási kör minden jele determinisztikus

• Sztochasztikus szabályozás – Ha van legalább egy sztochasztikus jel a szabályozási körben

40

Szabályozás • Szabályozások osztályozása – Az alkalmazott szabályozási algoritmus szerint • Klasszikus szabályozástechnika, lineáris rendszerek – soros kompenzáció – P, PI, PD, PID

• Modern szabályozástechnika – Optimális szabályozások

• Nemlineáris szabályozások – Backstepping, LPV, SDRE…

• Neurális hálózatok, Fuzzy szabályozások, Genetikus algoritmusok

41

Szabályozás • Szabályozások minőségi jellemzői –

A szabályozási körben lévő tagok (szakasz, érzékelő, szabályzó) mindegyike jellemezhető valamilyen átviteli tulajdonsággal •

Megadja, hogyan változik a tag kimeneti jele a tag bemeneti jelének függvényében –

– –

Pl. A radiátor méretét és a kazán teljesítményét a fűtendő helység méretének függvényében választjuk ki

Az átviteli jellemzőket az időtartományban különböző alakú bemenő vizsgálójelekre (gerjesztésekre) adott kimeneti válasz alapján határozzuk meg A tipikus vizsgáló jelek • • • •

egységimpulzus: u(t) = 1 ha t = 0; u(t) = 0 ha t ≠ 0 [Dirac delta] egységugrás: u(t) = 0 ha t < 0; u(t) = 1 ha t ≥ 0 egység-sebességugrás: u(t) = 0 ha t < 0; u(t) = t ha t ≥ 0 egység-gyorsulásugrás: u(t) = 0 ha t < 0; u(t) = t2 ha t ≥ 0

42

Szabályozás • Szabályozások minőségi jellemzői –

Az egységugrás gerjesztésre adott válasz (átmeneti függvény) alapján definiálható rendszerjellemzők

•

Statikus hiba hs: az alapjel és a rendszer egyensúlyi állapotában (a lengések lecsengését követően) kialakult kimeneti jelének aránya. Általában az alapjel százalékában megadott érték • Túllendülés t: a kimeneti jel maximális, és állandósult állapotban (t = ∞) kialakult értékének különbsége. Általában az állandósult állapotbeli érték százalékában adott • Beállási idő tb: az az időpont, ami után a kimeneti jel már nem lép ki a megengedett statikus hiba sávból. • Átviteli tényező K: a kimeneti és bemeneti jel állandósult állapotbeli értékének hányadosa. K = Jki(t =∞)/Jbe MC példák 43

Szabályozás • Szabályzó rendszerek tervezési lépései – A irányítási feladat •

Hogyan alakítsuk ki a zárt szabályozási rendszert a szakasz matematikai modelljének ismeretében, hogy az megfeleljen az előzetesen megfogalmazott elvárásoknak

• •

u=? Keressük a megfelelő visszacsatolási utasítást, a megfelelő szabályzót •

•

A visszacsatolt szabályozási rendszer minőségi jellemzőit rendszeranalízissel ellenőrizzük •

•

Különböző szabályzótervezési eljárások Vizsgáló jelekkel gerjesztjük a rendszer bemeneteit, figyeljük a választ

A valós rendszeren nem mindig lehetséges a próbálgatás, vagy nem célszerű

– Modellalapú tervezés •

A rendszer modelljének ismeretében matematikai módszerekkel analizáljuk és tervezzük a szabályozási rendszert 44

Szabályozás • Szabályzó rendszerek tervezési lépései – A szabályozott szakasz, folyamat definíciója, elvárások, célok megfogalmazása – A folyamat analízise, jeleinek vizsgálata, zajviszonyok felderítése – Beavatkozó szervek megválasztása • Teljesítmény, szükséges felbontás, pontosság figyelembe vételével

– Szabályozási algoritmus megválasztása (PID, LQG, Nemlineáris, Fuzzy…) • Az elvárások, a rendszer, a mintavételi idő stb. figyelembe vételével

– – – – – –

A szabályzó hardver megvalósítása, élesztése Tesztelés, adatgyűjtés a folyamaton A folyamat identifikációja, matematika modelljének meghatározása A szabályozási algoritmus kifejlesztése A szabályozási algoritmus implementálása A szabályozási rendszer végső tesztelése

45

Folyamatok matematikai modellje • Az irányítandó folyamatot a vizsgálatokban, tervezésnél valamilyen modellel reprezentáljuk – Megfelelően „utánozza” a valóságban lejátszódó eseményeket • Elegendő pontossággal • Az irányítás szempontjából nem lényeges hatásokat legtöbbször elhanyagoljuk • El kell dönteni mit kell feltétlenül figyelembe venni, mit lehet elhanyagolni – Pl. a relativisztikus hatásokat az ABS tervezésekor nem kell figyelembe venni, a GPS műholdak atomóráinak összehangolásánál azonban igen – Egy autós utazás megtervezésekor nem kell számolni a föld forgásával, egy űrrepülőgép útjának tervezésekor azonban kell

– Leírja a belső, a bemenő és a kimenő jelek közötti összefüggéseket – A modell mindig csak egyszerűsített mása a valóságnak – Ha matematikai kifejezésekkel adjuk meg, matematikai modellről beszélünk • A modell megalkotásában az alaptudományok segítenek – Newton törvények, villamosságtan törvényei, kémiai reakciók törvényszerűségei stb.

• A modell paramétereket a folyamaton végzett mérésekkel határozzuk meg (identifikáció) – Bemenő és kimenő jelek megfigyelése, feldolgozása

46

Folyamatok matematikai modellje • Dinamikus rendszerek – A mérnöki és informatikusi munka területein gyakoriak a dinamikus rendszerek, folyamatok – Ezek a folyamatok tehetetlenségük folytán nem tudják azonnal követni az őket érő hatásokat • A tehetetlenség valamilyen tároló hatás következménye • A tároló elem tartalmát a bemenő jelek csak véges idő alatt tudják megváltoztatni – Adott időpontban a tároló elem tartalma nem a bemenő jelek ugyanezen időpontbeli értékétől függ, hanem korábbi események során alakult ki

• A fizikai rendszerekben ez energiatárolásként jelenik meg – Mozgási energia, helyzeti energia, villamos töltés, mágneses fluxus – Pl. a kondenzátor feszültsége, a tekercs árama nem változhat ugrásszerűen – Egy test mozgási energiája csak végtelen nagy gyorsulással változtatható meg ugrásszerűen

– Adott pillanatban a rendszer mozgását a bemenő jelek és a rendszer előélete együttesen határozzák meg • A tároló elemek a rendszer múltjából megőrzött információkat hordozzák • A tárolók tartalma egyértelműen jellemzi a rendszer állapotát • A bemenő jelek aktuális értékének hatása a rendszer állapotában csak később jut érvényre

47

Folyamatok matematikai modellje • Dinamikus rendszerek – Víztartály példa • • • • • • • – – –

Q1

Q1: a beömlő vízmennyiség [m3/s] Q2: a kiömlő vízmennyiség [m3/s] h: a vízoszlop magassága [m] A: a tartály keresztmetszete [m2] a: a kiömlő nyílás keresztmetszete [m2] v: a kiömlő víz sebessége m: a folyadékra és a kiömlő nyílásra jellemző állandó

A tartályból kiömlő vízmennyiség függ a víz sebességétől és a kiömlő nyílás keresztmetszetétől A kiömlő víz sebessége függ a tartályban lévő folyadék magasságától A tartályban lévő víz térfogatváltozása egyenlő a beömlő és kiömlő vízmennyiség különbségével

48

A h

a

Q2

Folyamatok matematikai modellje • Dinamikus rendszerek – Víztartály példa

Q1

A h

a

∫ – –

Bemenő jel (irányító jel): Q1 beömlő vízmennyiség Belső változó (állapotváltozó): h vízszint –

–

Q1(t) = ?

49

Szintmérővel mérjük

Zavaró jel a változó vízfogyasztás –

Feladat:

Egyben kimeneti jel is

Az irányítás célja: állandó h vízszint –

–

Q2

Egy csappal változtathatjuk a értékét

Folyamatok matematikai modellje • Dinamikus rendszerek – Egyenáramú (DC) motor •

Bemenő jelek ― Kapocsfeszültség, Terhelő nyomaték

•

Kimenő jelek ― Motor árama, Szögsebesség

•

Zavaró jel ― Terhelő nyomaték

•

Elektromechanikai rendszer • • • • • •

u(t) : a motor kapocsfeszültsége [V] i(t) : a motor tekercsein átfolyó áram [A] wm(t): a forgórész szögsebessége [rad/s] R : a motor tekercselési ellenállása [W] L : a motor induktivitása [H] Kb : feszültségtényező [V/(rad/s)]

•

Kirchoff-törvény

50

Folyamatok matematikai modellje • Dinamikus rendszerek – Egyenáramú (DC) motor •

Bemenő jelek ― Kapocsfeszültség, Terhelő nyomaték

•

Kimenő jelek ― Motor árama, Szögsebesség

•

jm

Zavaró jel

wm Mt

― Terhelő nyomaték

•

Jm

Elektromechanikai rendszer • •

•

KT : nyomatéktényező [Nm/A] Jm : a fogórész és terhelések tehetetlenségi nyomatéka [Nm/(rad/s2)] B : a mechanikai veszteségek együtthatója [Nm/(rad/s)] Mt: a mechanika terhelő nyomaték [Nm]

•

Nyomatékegyenlet

•

m

51

Folyamatok matematikai modellje • Dinamikus rendszerek – Egyenáramú (DC) motor

jm

wm Mt Jm m

∫

∫

52

Folyamatok matematikai modellje • Dinamikus rendszerek –

Dinamikus rendszerek matematikai modelljét differenciál egyenletek formájában szokták megadni, melyek az állapotváltozók és a kimenetek állapotváltozóktól, a bemenetektől és az időtől való függését írják le •

Állapotegyenlet és kimeneti egyenlet – időtartománybeli leírás

• • • •

x: az állapotváltozók vektora u: a bemenetek vektora y: a kimenetek vektora f(x,u,t): az állapotváltozók függését leíró függvény –

•

Általánosságban nemlineáris függvény

h(x,u,t): az kimenetek függését leíró függvény –

Általánosságban nemlineáris függvény 53

Folyamatok matematikai modellje • Dinamikus rendszerek – Ha f és g függvények nem függenek az időtől, autonóm rendszerről beszélünk

– Ha f és g függvények lineáris függvények, időben változó lineáris rendszerről beszélünk

– Ha f és g függvények időtől nem függő lineáris függvények, lineáris időinvariáns rendszerről beszélünk

•

A, B, C, D mátrixok a rendszer paramétermátrixai

54

Folyamatok matematikai modellje • Dinamikus rendszerek – Példarendszerek matematikai modellje állapotegyenlettel •

Terheletlen RC kör (SISO rendszer)

•

Lineáris időinvariáns rendszer

Single Input Single Output

55

ic(t)


DC motor (MIMO rendszer)

•

Lineáris időinvariáns rendszer

Multi Input Multi Output

•

56

Az egyenletek mátrixos formában


Víztartály

•

Nemlineáris autonóm rendszer

•

Nemlineáris rendszerek kezelése • • •

Munkaponti linearizálás Visszacsatolásos linearizálás Nemlineáris szabályozások • • •

•

57

Backstepping LPV, MBPC SDRE stb.

Pl. munkaponti linearizálás Taylor-sor •

A munkapont körüli kis megváltozásokra

•

„A modell csak közelíti a valóságot”

Szabályozás • Szabályzó rendszerek tervezési lépései – A irányítási feladat •

Hogyan alakítsuk ki a zárt szabályozási rendszert a szakasz matematikai modelljének ismeretében, hogy az megfeleljen az előzetesen megfogalmazott elvárásoknak

• •

u=? Keressük a megfelelő visszacsatolási utasítást, a megfelelő szabályzót •

•

A visszacsatolt szabályozási rendszer minőségi jellemzőit rendszeranalízissel határozzuk meg •

•

Különböző szabályzótervezési eljárások Vizsgáló jelekkel gerjesztjük a rendszer bemeneteit, figyeljük a választ

A valós rendszeren nem mindig lehetséges a próbálgatás, vagy nem célszerű

– Modellalapú tervezés •

A rendszer modelljének ismeretében matematikai módszerekkel analizáljuk és tervezzük a szabályozási rendszert 58

Matematikai alapok • Mátrixok – Vektorok • Sorvektor, oszlopvektor

– Mátrix

– Mátrix transzponáltja

59

Matematikai alapok • Mátrixok – Speciális mátrixok • Diagonális mátrix, egységmátrix, zérusmátrix

– Összeadás

60

Matematikai alapok • Mátrixok – Mátrix szorzása mátrixszal

•

Tulajdonságok

61

Matematikai alapok • Mátrixok – Négyzetes mátrix determinánsa

– Négyzetes mátrix adjungáltja •

Az A mátrix aij elemeihez tartozó előjeles aldeterminásokból álló mátrix transzponáltja

62



Az A mátrix aij elemeihez tartozó előjeles aldeterminásokból álló mátrix transzponáltja

63



2x2-es mátrix adjungáltja

64

Matematikai alapok • Mátrixok – Négyzetes mátrix inverze

– Hasznos azonosságok

65

Matematikai alapok • Komplex számok – – –

–

Valós rész Képzetes rész Síkvektorként ábrázolható •

Komplex konjugált

•

Abszolút érték

•

Euler formula

Polár koordináta rendszer

• • 66

Amplitúdó, fázisszög Adott frekvenciájú szinuszos jel ezzel a két paraméterrel jellemezhető

Matematikai alapok • Komplex számok – Szinuszos jelek általános ábrázolása

Komplex számmal (komplex amplitúdó)

• Adott frekvenciájú szinuszos jel két paraméterrel jellemezhető – A jel szinuszos és koszinuszos összetevőjének amplitúdójával: A, B – A jel amplitúdójával és fázisával: M, j

• Nem egyenlőségről van szó, csak megfeleltetés, reprezentálás komplex számmal – Csak adott frekvencián értelmezhető a megfeleltetés – Pl. (1+1j)+(2+2j) = (3+3j) » »

Mindhárom komplex szám azonos frekvenciájú jeleket reprezentál Csak amplitúdójuk és fázisuk más

• Az előjel váltás a komplex Fourier transzformáció definíciója miatt szokás (később) – Pl:

67

Matematikai alapok • Komplex számok – Lineáris rendszerek • Érvényes a szuperpozíció elve • Szinuszos jellel gerjesztve a bemenetet a kimenet is szinuszos – azonos frekvenciával – az amplitúdó és fázis változhat

• Pl: – Egy lineáris rendszer bemenő jele – Ennek hatására kimeneti jele – A komplex amplitúdók segítségével adott w frekvencián jellemezhető a rendszer átviteli tulajdonsága

– Adott frekvencián a rendszer amplitúdó átvitele 0,5 fázis tolása 3p/8

68

Matematikai alapok • Komplex számok – Lineáris rendszerek

69

Matematikai alapok • Fourier transzformáció – Periodikus jel Fourier transzformáltja • Bármely Ts periódusidejű periodikus jel felbontható megszámlálhatóan végtelen sok diszkrét frekvenciájú szinuszos és koszinuszos függvény összegére (Fourier-sor)

– Ahol az alapharmonikus frekvencia és körfrekvencia – Az együtthatók:

– Az a0 együttható az f(t) jel egyenáramú (DC) összetevőjének felel meg

70

Matematikai alapok

71

Matematikai alapok • Fourier transzformáció – Periodikus jel Fourier transzformáltja • Bevezetve

• Felhasználva az Euler-formulát

• Az w = nw0 diszkrét körfrekvenciákhoz rendelt cn komplex amplitúdók alkotják az y(t) jel amplitúdó spektrumát • cn komplex amplitúdók megadják az összetevők amplitúdóját és fázisát is • Az összetevők frekvenciája az alapfrekvencia egész számú többszöröse – Az összetevők amplitúdója és fázisa különböző jelek esetén eltérő lehet – Az n = 0-hoz tartozó összetevő a jel egyenáramú (DC) összetevője

72

Matematikai alapok • Fourier transzformáció – Nem periodikus jel Fourier transzformáltja • Nem periodikus jel nem megszámlálhatóan végtelen sok összetevőből áll, amelyek frekvenciái folytonos eloszlásúak • Egyetlen frekvenciához nem tartozik véges értékű amplitúdó, de megadható egy dw sávra számított amplitúdósűrűség

• Az egyenletek kölcsönösen egyértelmű összefüggést – transzformációt – állapítanak meg az f(t) időfüggvény és az F(jw) frekvenciafüggvény között – F(jw) az f(t) időfüggvény Fourier transzformáltja

• Egy jel frekvenciafüggvénye (frekvenciatartománybeli leírása, spektruma) egyértelműen meghatározza a jel időfüggvényét

– Előny • A Fourier transzformációval a differenciál egyenletek algebrai egyenletekké redukálódnak – A frekvenciatartományban a az időtartománybeli differenciálást és integrálást algebrai műveletek helyettesítik

73

Matematikai alapok • Laplace transzformáció • • • •

A Fourier transzformált csak akkor létezik ha az f(t) időfüggvény abszolút integrálható Ez korlátozza használatát A Laplace transzformációval ez a korlátozás feloldható Egy időtartománybeli jel Laplace transzformált a jel komplex frekvenciatartománybeli reprezentációja

74

Matematikai alapok • Laplace transzformáció –

Néhány fontosabb jel Laplace transzformáltja

75

Matematikai alapok • Laplace transzformáció –

Néhány fontosabb jel Laplace transzformáltja

76

Matematikai alapok • Laplace transzformáció – Műveleti szabályok • Differenciálás

– Belépő jel esetén f(t<+0) = 0

– Differenciálás a komplex frekvenciatartományban

• Integrálás

• Eltolási tételek

• Linearitás

77

Matematikai alapok • Laplace transzformáció – Műveleti szabályok • Belépő jelek konvolúciója

• Racionális törtfüggvény inverz transzformáltja – Ha egy Laplace transzformált racionális törtfüggvény alakra hozható, akkor részlettörtekre bontható – Tagonként az időtartományba transzformálható – Ha a D(s) nevező gyökei egyszeresek

– Ha a nevező gyökei között vannak többszörös gyökök » a gyökhöz részlettörtekre bontáskor a multiplicitásával egyező számú részlettört tartozik » Pl. ha a j-edik gyök k-szoros

78

Állapotegyenlet • Példarendszerek frekvenciatartománybeli leírása – Terheletlen RC kör •

Időtartománybeli leírás

•

Frekvenciatartománybeli leírás Laplace transzformációval

•

Kérdés 1: hogyan változik a rendszer kimenete a bemenő jel és az állapotváltozó kezdeti értékének függvényében? Kérdés 2: hogyan változik az állapotváltozó a bemenő jel függvényében?

•

–

•

A kimeneti jel változása ebből és a kimeneti egyenletből meghatározható

Meg kell oldani a differenciál egyenletet

79


Állapotegyenlet megoldása az időtartományban

•

Lineáris állandó együtthatós elsőrendű differenciál egyenlet megoldása

•

Egységugrás bemenő jelet feltételezve

80


Állapotegyenlet megoldása a frekvenciatartományban

81


Ha egy Laplace transzformált racionális törtfüggvény alakra hozható, akkor részlettörtekre bontható

•

82

A rendszer pólusai:

Állapotegyenlet • Példarendszerek frekvenciatartománybeli leírása – DC motor •

Időtartománybeli leírás

•

Frekvenciatartománybeli leírás Laplace transzformációval

83



•

Kérdés 2: hogyan változik az állapotváltozó a bemenő jel függvényében? –

A kimeneti jel változása ebből és a kimeneti egyenletből meghatározható

84



•

Szétválasztható egy bemenő jeltől függő, és egy bemenő jeltől független, csak x(-0)-tól függő összetevőre

•

A magára hagyott rendszer mozgása, saját mozgás –

•

A rendszer gerjesztett mozgása – –

•

Ha a bemenő jel zérus: u(t) = 0, u(s) = 0

Ha x(-0) = 0 A rendszer tulajdonságainak vizsgálatakor általában elegendő ezt az esetet vizsgálni

A rendszer átviteli függvénye (mátrix)

85



•

A kimeneti jel a w(s) átviteli függvény és a bemeneti jel Laplace transzformáltjának ismeretében kiszámítható

•

Az inverz mátrix számításához szükség van a determinánsra és az adjungált mátrixra

86

Állapotegyenlet • Példarendszerek frekvenciatartománybeli leírása – DC motor • •

Több bemenetű és/vagy több kimenetű rendszer esetén minden bemenet-kimenet kombinációhoz tartozik egy skalár (nem mátrix) átviteli függvény Esetünkben 2 bemenet, 2 kimenet, 4 átviteli függvény

87



88



89



90



91

Állapotegyenlet • Példarendszerek frekvenciatartománybeli leírása – MIMO rendszer esetén

.

.

92


Az átviteli függvények ismeretében tetszőleges bemenő jelre kiszámíthatjuk a kimeneti jel időfüggvényét Ismerni kell a bemenő jel Laplace transzformáltját

•

Impulzusválasz (impulse response), súlyfüggvény w(t) –

•

Egységimpulzus bemeneti jel esetén: u1(t) = d(t)

Egységugrás-válasz (step response), átmeneti függvény v(t) –

Egységugrás bemeneti jel esetén: u1(t) = e(t)

93

Állapotegyenlet • Példarendszerek frekvenciatartománybeli leírása – DC motor

94

Állapotegyenlet • Példarendszerek frekvenciatartománybeli leírása – DC motor

95

Állapotegyenlet • Gyakorló feladatok – Komplex amplitúdó – Fourier transzformáció – Laplace transzformáció, inverz Laplace transzformáció • Dinamikus rendszerek

96

Irányítástechnika. Dr. Turóczi Antal

Recommend Documents