Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO RIADENIA

Transkript

1 Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO RIADENIA Riadenie a umelá inteligencia doc. Ing. Anna Jadlovská, PhD., Katedra kybernetiky a umelej inteligencie Fakulta elektrotechniky a informatiky Technická univerzita v Ko²iciach LS 2015/2016 Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO RIADENIA LS 2015/ / 17

2 I. ƒasový vývoj metód riadenia A. Klasické metódy riadenia 1. Ru né riadenie 2. PID regulácia 3. Kaskádne riadenie 4. Pomerová regulácia 5. Dopredné riadenie B. Moderné riadenie - klasické metódy 1. Adaptívne riadenie 2. Metódy riadenia pre systémy s oneskorením 3. Metódy riadenia viacparametrových systémov (s vyuºitím rozpojenia = decoupling control) Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO RIADENIA LS 2015/ / 17

3 I. ƒasový vývoj metód riadenia C. Moderné metódy riadenia I. 1. Prediktívne riadenie (MPC) 2. Riadenie s vnútorným modelom (IMC) 3. Metódy adaptívneho riadenia a metódy vyuºívajúce princíp samonastavovania (AC, STC) D. Moderné metódy riadenia II. 1. Metódy optimálneho riadenia (LQ, LQG) 2. Metódy riadenia nelineárnych procesov (úvod) 3. Metódy robustného riadenia 4. Hybridné riadenie 5. Metódy fuzzy riadenie 6. Metódy riadenia na báze neurónových sietí 7. Metódy vyuºívajúce expertné systémy Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO RIADENIA LS 2015/ / 17

4 Typ riadiaceho algoritmu PID algoritmy spojité a diskrétne Alg. riadenia v stav. priestore LQ LQG Praktická implementácia [%] Moºnos realizácie ako DDC NIE () Implementácia v priemysle v²etky druhy procesov (chemické procesy, energ. p., plyn. priemysel) Servosystémy: elektrické, hydraulické Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO RIADENIA LS 2015/ / 17

5 Typ riadiaceho algoritmu Adaptívne a samonastavujúce alg. riadenia, klasický typ: nastavovanie param. PID priame AS nepriame AS Alg. zov²eob. diskret. reg. klasický deadbeat priradenie pólov Praktická implementácia [%] Moºnos realizácie ako DDC Implementácia v priemysle v²etky typy procesov (chem. proc., energ. p., plyn. p.) pomalá dynamika T vz = s v²etky typy procesov servosystémy Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO RIADENIA LS 2015/ / 17

6 Typ riadiaceho algoritmu Alg. nelineárneho riadenia Praktická implementácia [%] Moºnos realizácie ako DDC 0.4 Robustné alg. riadenia 0.2 NIE() Inteligentné met. riad. PID reg. fuzzy riad. neurónové riad. genetické alg. r Implementácia v priemysle tepelné procesy, chemické procesy naviga né systémy, letecké syst., chem. proc. proc. s oneskorením, nemodelovate ná dynamika Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO RIADENIA LS 2015/ / 17

7 Zhodnotenie: pre praktickú implementáciu sa pouºíva základných algoritmov PID, ktoré sa modikujú pod a pouºitého procesora, dynamiky procesu, dopravného oneskorenia,... v sú asnosti dochádza k modikácii riadiacich algoritmov pre typické priemyselné procesy (tepelné, chemické, energetické, plynárenské) (modikácia spomenutých klasických metód riadenia berúc do úvahy asové oneskorenia, nemodelovate nú dynamiku, zmeny pracovného bodu a rôzne typy porúch) vedie to na vývoj nových metód riadenia, ktoré vyuºívajú prvky robustnosti, princíp samonastavovania a metódy umelej inteligencie (NN, FL, GA) vä ²ina z pouºitých priemyselných regulátorov sú ²tandardné PID regulátory (v spojitom alebo diskrétnom tvare: 89-90%) Od 80-tych rokov sa k programovým balíkom na IDENTIFIKÁCIU procesov tvoria nadstavby s vyuºitím prvkov UMELEJ INTELIGENCIE (IDFAC, SYSID) zabudovanie EXPERTNÝCH SYSTÉMOV poskytuje uºívate ovi pomoc pri výbere (T vz, ur ení rádu modelu, úprave dát (normovaní), porovnanie ID metód). [Identication Toolbox (MATLAB)] modely: ARX, ARMAX, OE, B-J Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO RIADENIA LS 2015/ / 17

8 A. Lineárne diskrétne systémy riadenia Motivácia nasadenie riadiacih po íta ov na v²etky úrovne riadenia Dôvody na zavedenie íslicových regulátorov do praxe: hardw. a soft. exibilita ( ahká realizácia alg. riadenia) vysoká presnos a spo ahlivos riadenia jednoduchá implementácia (cena, dostupnos ) nové kvalitatívne vlastnosti pri riadení (ukon enie riadenia procesu za kone ný as) moºnos automatickej analýzy procesu a syntézy riadenia v po íta i = ( íslicový regulátor) História: Priame islícové riadenie TP (DDC r. 1960) polymeriza ná jednotka ranérie v Port Arthure - Texas (1959) ( íslicovo regulované veli iny: prietoky, tlaky v reaktoroch) minipo íta ová etapa (koniec 60-tych rokov) mikropo íta ová etapa (od r. 1972) Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO RIADENIA LS 2015/ / 17

9 A. Lineárne diskrétne systémy riadenia Perspektívy rozvoj íslicového riadenia bude podmienený v oblasti: znalos riadeného systému meracej techniky výpo tovej techniky TEÓRIE RIADENIE Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO RIADENIA LS 2015/ / 17

10 B. ƒíslicové riadenie lineárnych dynamických systémov ak po íta preberá funkciu DISKRÉTNEHO REGULÁTORA a priamo pôsobí na regulovaný proces = PRIAME ƒíslicové RIADENIE (Direct Digitak Control - DDC) po íta pod a algoritmu regulácie vypo ítava riadiace zásah u ƒ/a prevodník upravuje hodnotu riadiaceho zásahu a posiela ju na regula ný orgán Obr.: Priame íslicové riadenie (DDC - control) Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO LS RIADENIA 2015/ / 17

11 B. ƒíslicové riadenie lineárnych dynamických systémov ºiadaná hodnota sa zadáva do po íta a z nadradenej úrovne po íta sa z nameraných a zosnímaných údajov prednos ou diskrétnej regulácie ukon enie regula ného procesu za kone ný po et krokov (T vz aº do podmienok technickej realizovate nosti) reg. pochod je ukon ený za to ko krokov, aký je rád systému = DEADBEAT CONTROL s ohrani ením riadiaceho zásahu u k M Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO LS RIADENIA 2015/ / 17

12 C. Diskrétny regula ný obvod s íslicovým regulátorom y(t) riadená veli ina (regulovaná) y r (t) cie riadenia (riadiaca vel.) e(t) regula ná odchýlka u(t) riadiaci zásah (ak ný zásah) z(t) poruchový signál (na vstupe procesu) Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO LS RIADENIA 2015/ / 17

13 C. Diskrétny regula ný obvod s íslicovým regulátorom A/ƒ analógovo - íslicový prevodník preberá úlohu VZORKOVAƒA transformuje postupnos impulzov na postupnos íselných hodnôt ƒp algoritmus íslicového riadenia spracováva údaje (e(k), y(k), y r (k)) pod a alg. riadenia, ktorého hodnota odpovedá ve kosti impulzu ƒ/a prevodník íslicovo - analógový je kon²truk ne spojený s TVAROVAƒOM, ktorého výstupom je ob ºnikový pulz d ºky T a jeho vý²ka odpovedá hodnote hodnote ísla na výstupe po íta a (TVAROVAƒ tvaruje signál) Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO LS RIADENIA 2015/ / 17

14 C. Diskrétny regula ný obvod s íslicovým regulátorom V úlohách analýzy a syntézy DRO treba pozna : technické moºnosti po íta ov a ƒ/a, A/ƒ prevodníkov as realizácie riadiaceho algoritmu - T vz - periódu vzorkovania minulé hodnoty vzoriek signálov: w, y, u Postupnos toku informácií ( asová nadväznos ) v DRO je znázornená na obrázku. Na výpo et riadiaceho zásahu potrebuje ƒp ur itý as - T u Na výpo et novej aktuálnej hodnoty u(t) môºe regulátor zahrnú tie vzorky, ktoré mu boli známe do asu "t"[y(t T ), u(t T ), y(t 2T ), u(t 2T ),...] Z princípu kauzality ºe ak ný zásah u(t) môºe ovplyvni budúce hodnoty y(t + kt ) pre k > 0 hodnota u(t) je známa sú asne (tesne pred alebo za) so snímanou riadenou veli inou y(t) Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO LS RIADENIA 2015/ / 17

15 D. Návrh íslicového regulátora 1 nepriamy návrh - vychádza z návrhu spojitého regulátora = íslicová realizácia spojitého regulátora (dá sa uplatni len pre malé periódy vzorkovania) [Naslin, optimálny modul, Graham-Lathrop polynómy, Butterworth polynómy, Ziegler-Nicholsova metóda, metóda rozloºenia pólov] Syntéza: prevodníky sa uvaºujú ako sú as regulátora, kvázispojitý regulátor pre malé T vz (80% íslic. RO na analóg. RO) Obr.: Bloková schéma lin. RO s kvázianalógovým regulátorom Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO LS RIADENIA 2015/ / 17

16 D. Návrh íslicového regulátora 2 priamy návrh - s vyuºitím teórie diskrétneho riadenia návrh nie je obmedzený TRUKTÚROU REGULÁTORA ²ir²ie algoritmické moºnosti íslicovej techniky Syntéza: prevodníky sa pridajú k regulovanej sústave (procesu), ktorú uvaºujeme ako kvázi diskrétnu: T F p (s) vz Fp (z) presná diskretizácia A/ƒ prevodník umiestnime za F p (s) obvod uvaºujeme ako diskrétny vhodné pre T vz ; aplikácia Z - transformácie a polynomiálnych regulátorov Obr.: Bloková schéma lin. diskrétneho RO s diskrétnym procesom Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO LS RIADENIA 2015/ / 17

17 Zhrnutie Medzi základné prístupy a prostriedky TAR diskr. systémov: vzorkovanie, výber periódy vzorkovania (Nyquist, Shannon) opis systému diferen nou rovnicou (Oldenburg, Sartorius, 1944) pouºitie Z-transformácie (Ragazzini, Cypkin, Jury) metódy stavového priestoru (Pontrjagin, Bellman, Kalman) algebraická teória (Kalman, Rosenbrock, Ku era) al²ie okruhy problémov: optimálne a stochastické riadenie (Bellman, Pontrjagin) identikácia systému (Åstrom, Ljung, Goodwin) adaptívne riadenie (Åstrom, Wittenmark) Systémy: lineárne: LTI - s kon²t. koef. LTV - s prem. koef. nelineárne - INTELIGENTNÉ RIADIACE SYSTÉMY Predná²ka 1: VÝVOJ METÓD AUTOMATICKÉHO LS RIADENIA 2015/ / 17