Technická kybernetika. Regulační obvod. Obsah

Podobné dokumenty
Řídicí technika. Obsah. Stabilita. Stabilita spojitých lineárních systémů

Automatizační technika. Regulační obvod. Obsah

6. Setrvačný kmitový člen 2. řádu

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela zpětná vazba, stabilita a oscilace

VYUŽITÍ CITLIVOSTNÍ ANALÝZY V ELEKTROTECHNICE A ŘÍDÍCÍ TECHNICE - II

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

Komplexní čísla tedy násobíme jako dvojčleny s tím, že použijeme vztah i 2 = 1. = (a 1 + ia 2 )(b 1 ib 2 ) b b2 2.

PRAVDĚPODOBNOST A STATISTIKA. Náhodná proměnná Vybraná spojitá rozdělení

4. přednáška 22. října Úplné metrické prostory. Metrický prostor (M, d) je úplný, když každá cauchyovská posloupnost bodů v M konverguje.

Regulace f v propojených soustavách

Matematické metody v kartografii

Hyperbola, jejíž střed S je totožný s počátkem soustavy souřadnic a jejíž hlavní osa je totožná

Příklad 22 : Kapacita a rozložení intenzity elektrického pole v deskovém kondenzátoru s jednoduchým dielektrikem

LINEÁRNÍ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE 2.ŘÁDU

OBECNÝ URČITÝ INTEGRÁL

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Stabilita regulačního obvodu

ZÁKLADY. y 1 + y 2 dx a. kde y je hledanou funkcí proměnné x.

Matice. a B =...,...,...,...,..., prvků z tělesa T (tímto. Definice: Soubor A = ( a. ...,..., ra

ZÁKLADY KRYSTALOGRAFIE KOVŮ A SLITIN

2002 Katedra obecné elektrotechniky FEI VŠB-TU Ostrava Ing.Stanislav Kocman

56. ročník Matematické olympiády. b 1,2 = 27 ± c 2 25

Regulace v ES na výroby

ANALYTICKÁ GEOMETRIE V PROSTORU

STEJNOSMĚRNÉ STROJE. Určeno pro posluchače bakalářských studijních programů. 1. Úvod

Určeno pro posluchače bakalářských studijních programů FS

3 Algebraické výrazy. 3.1 Mnohočleny Mnohočleny jsou zvláštním případem výrazů. Mnohočlen (polynom) proměnné je výraz tvaru

Zavedení a vlastnosti reálných čísel PŘIROZENÁ, CELÁ A RACIONÁLNÍ ČÍSLA

6 Stabilita lineárních diskrétních regulačních obvodů

3. Kvadratické rovnice

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

3. ROVNICE A NEROVNICE Lineární rovnice Kvadratické rovnice Rovnice s absolutní hodnotou Iracionální rovnice 90

9 Axonometrie ÚM FSI VUT v Brně Studijní text. 9 Axonometrie

Souhrn základních výpočetních postupů v Excelu probíraných v AVT listopad r r. . b = A

14 Kuželosečky v základní poloze

1. LINEÁRNÍ ALGEBRA 1.1. Matice

2.1 - ( ) ( ) (020201) [ ] [ ]

25.z-6.tr ZS 2015/2016

( 5 ) 6 ( ) 6 ( ) Přijímací řízení ak. r. 2010/11 Kompletní znění testových otázek - matematický přehled

(1) přičemž všechny veličiny uvažujeme absolutně. Její úpravou získáme vztah + =, (2) Přímé zvětšení Z je dáno vztahem Z = =, a a

Téma Přetvoření nosníků namáhaných ohybem

INTEGRACE KOMPLEXNÍ FUNKCE KŘIVKOVÝ INTEGRÁL

Návrh regulačního systému chlazení

DERIVACE A INTEGRÁLY VE FYZICE

x + F F x F (x, f(x)).

Vzorová řešení čtvrté série úloh

VIII. Primitivní funkce a Riemannův integrál

SYLABUS PŘEDNÁŠKY 7 Z GEODÉZIE 1

Hyperbola a přímka

Větu o spojitosti a jejich užití

Obecně: K dané funkci f hledáme funkci ϕ z dané množiny funkcí M, pro kterou v daných bodech x 0 < x 1 <... < x n. (δ ij... Kroneckerovo delta) (4)

2. Funkční řady Studijní text. V předcházející kapitole jsme uvažovali řady, jejichž členy byla reálná čísla. Nyní se budeme zabývat studiem

Ohýbaný nosník - napětí

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ MATEMATIKA K PŘIJÍMACÍM ZKOUŠKÁM NA PEF

Symbolicko - komplexní metoda I Opakování komplexních čísel z matematiky

25 Měrný náboj elektronu

Matematika II: Testy

6. a 7. března Úloha 1.1. Vypočtěte obsah obrazce ohraničeného parabolou y = 1 x 2 a osou x.

( t) ( t) ( t) Nerovnice pro polorovinu. Předpoklady: 7306

( a, { } Intervaly. Předpoklady: , , , Problém zapíšeme snadno i výčtem: { 2;3; 4;5}?

je jedna z orientací určena jeho parametrizací. Je to ta, pro kterou je počátečním bodem bod ϕ(a). Im k.b.(c ) ( C ) (C ) Obr Obr. 3.5.

{ } ( ) ( ) Vztahy mezi kořeny a koeficienty kvadratické rovnice. Předpoklady: 2301, 2508, 2507

VIII. Primitivní funkce a Riemannův integrál

ZÁKLADNÍ POZNATKY. p, kde ČÍSELNÉ MNOŽINY (OBORY) N... množina všech přirozených čísel: 1, 2, 3,, n,

a a Posloupnost ( ) je totožná s posloupností: (A) 9 (B) 17 (C) 21 (D) 34 (E) 64 (B) (C) (E)

Křivkový integrál prvního druhu verze 1.0

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

13. Exponenciální a logaritmická funkce

DIGITÁLNÍ UČEBNÍ MATERIÁL. Název školy SOUpotravinářské, Jílové u Prahy, Šenflukova 220. Název materiálu VY_32_INOVACE / Matematika / 03/01 / 17

2.3. DETERMINANTY MATIC

Matematika 1A. PetrSalačaJiříHozman Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická Technická univerzita v Liberci

7.5.8 Středová rovnice elipsy

1. Pokyny pro vypracování

4. Determinanty. Výpočet: a11. a22. a21. a12. = a 11 a 22 a 33 + a 12 a 23 a 31 + a 13 a 21 a 32 a 13 a 22 a 31. a 11 a 23 a 32 a 12 a 21 a 33

V předchozích kapitolách byla popsána inverzní operace k derivování. Zatím nebylo jasné, k čemu tento nástroj slouží.

Analýza lineárních regulačních systémů v časové doméně. V Modelice (ale i v Simulinku) máme blok TransfeFunction

Obr. 1: Optická lavice s příslušenstvím při měření přímou metodou. 2. Určení ohniskové vzdálenosti spojky Besselovou metodou

NEWTONŮV INTEGRÁL. V předchozích kapitolách byla popsána inverzní operace k derivování. Zatím nebylo jasné, k čemu tento nástroj slouží.

Jak již bylo uvedeno v předcházející kapitole, můžeme při výpočtu určitých integrálů ze složitějších funkcí postupovat v zásadě dvěma způsoby:

Základní pojmy: Číselné obory a vztahy mezi nimi Zákony pro počítání s číselnými množinami

Příloha č. 1. Obchodní podmínky. Revize 10 leden 2009

Integrální počet - IV. část (aplikace na určitý vlastní integrál, nevlastní integrál)

Neurčité výrazy

Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava TEORIE SYSTÉMŮ. učební text. Zora Jančíková

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) Určitý integrál ZVMT lesnictví 1 / 26

Hlavní body - magnetismus

5.1.5 Základní vztahy mezi body přímkami a rovinami

X31EO2 - Elektrické obvody 2. Kmitočtové charakteristiky

Ochrana před úrazem elektrickým proudem Společná hlediska pro instalaci a zařízení. 1. Definice

2.2.9 Grafické řešení rovnic a nerovnic

Výraz. podmínky (B) 1 (E) (A) 56 (B) 144 (C) 512 (D) (E) Taková čísla neexistují. Počet všech přirozených čísel, která vyhovují

( s) ( ) ( ) ( ) Stabilizace systému pomocí PID regulátoru. Řešený příklad: Zadání: Uvažujme řízený systém daný přenosovou funkcí

9 - Zpětná vazba. Michael Šebek Automatické řízení

Regulační obvod s měřením regulováné veličiny

Křivkový integrál funkce

je pravoúhlý BNa ose y najděte bod, který je vzdálený od bodu A = [ 4;

1.1 Numerické integrování

NMAF061, ZS Písemná část zkoušky 25. leden 2018

METODICKÉ LISTY Z MATEMATIKY pro gymnázia a základní vzdělávání

Opakování ke státní maturitě didaktické testy

1. Vznik zkratů. Základní pojmy.

Transkript:

Akdemický rok 6/7 Připrvil: Rdim Frn echnická kybernetik Anlogové číslicové regulátory Stbilit spojitých lineárních systémů Obsh Zákldní přenosy regulčního obvodu. Anlogové regulátory. Číslicové regulátory. Stbilit spojitých lineárních systémů. Hurwitzovo kritérium stbility. Nyquistovo kritérium kvlity. Regulční obvod Je uvžován poměrně obecný regulční obvod, kde G R ( je přenos regulátoru, G S ( přenos regulovné soustvy, G MČ ( přenos měřicího členu, G P ( přenos, přes který n regulční obvod působí poruchová veličin s obrzem V(, W( obrz žádné veličiny, E( obrz regulční odchylky, U( obrz kční veličiny, Y( obrz regulovné veličiny. Ws () Vs () GP Es () Us () Ys () G MČ Měřicí člen s přenosem G MČ ( musí měřit přesně rychle, proto ve většině prktických přípdů lze předpokládt, že G MČ

4 Regulční obvod Přenos G P ( umožňuje umístit působení poruchové veličiny V( do libovolného míst regulčního obvodu. Dv nejdůležitější přípdy, kdy poruchová veličin V( působí n vstupu, resp. n výstupu regulovné soustvy G S ( pro jsou: Ws () G = G P S Vs () Es () Ys () Ws () G s P( ) = Vs () Es () Ys () Pokud poruchové veličiny nelze měřit ni jink přesněji specifikovt, pk je vhodné je gregovt do jediné poruchové veličiny V( umístit ji do nejméně příznivého míst v regulčním obvodě. V přípdě integrční regulovné soustvy je to její vstup v přípdě proporcionální regulovné soustvy její výstup. 5 Cíl regulce y( w( ˆ Y( W( pro regulovnou veličinu pltí Y G W G V wy vy kde je přenos řízení přenos poruchy GP Gwy Gvy [ Gwy ] GP Pro dosžení cíle regulce poždujeme: G vy G wy 6 Cíl regulce e( ˆ E( pro regulční odchylku pltí E Gwe( W Gve V kde je odchylkový přenos řízení odchylkový přenos poruchy Gwe Gwy Gve GP [ Gwy ] GP Pro dosžení cíle regulce poždujeme: G we G ve

7 Cíl regulce pro kmitočtový přenos řízení lze psát ( j) ( j) Gwy ( j) ( j) ( j) ( j) ( j) je zřejmé, že pltí ( j) ( j) Gwy ( j) Gwy ( j) ( j) G ( j) G wy wy bude-li zjištěn dosttečně vysoká hodnot modulu kmitočtového přenosu regulátoru pk bude splněn s dosttečnou přesností podmínk Gwy AR ( ) mod ( j) ( j) pro nesingulární G P ( i podmínk Gvy 8 Cíl regulce Vysoké hodnoty modulů A R (ω) nebo A o (ω) musí být zjištěny v rozshu prcovních úhlových kmitočtů při součsném zbezpečení stbility poždovné kvlity regulčního pochodu. oho lze dosáhnout vhodně zvoleným regulátorem jeho následným správným seřízením. Průmyslové regulátory se vyrábějí v různých verzích modifikcích, proto budou uvedeny pouze zákldní struktury modifikce běžně používných konvenčních regulátorů. 9 Anlogové (spojité) konvenční regulátory jsou relizovány jko kombince zákldních třech činností (složek): proporcionální P, integrční I, derivční D. Regulátor u něhož vystupují všechny tři činnosti se nzývá proporcionálně integrčně derivční regulátor nebo zkráceně regulátor typu PID jeho vlstnosti v čsové oblsti mohou být popsány vzthem t t de( d e( u( re( r e( )d r k P e( e( )d D dt I dt P I D kde jsou: r, r r váhy proporcionální, integrční derivční složky regulátoru, k P zesílení regulátoru, I D integrční derivční čsová konstnt regulátoru předstvují tři stvitelné prmetry regulátoru. 3

Stvitelné prmetry regulátoru Úkolem seřízení regulátoru je zjištění poždvků n kvlitu regulčního pochodu vhodnou volbou hodnot jeho stvitelných prmetrů pro konkrétní regulovnou soustvu. Mezi stvitelnými prmetry regulátoru pltí převodní vzthy r k P, r k P, I r k PD, k r, r r I, D r r P Protože váh proporcionální složky r je identická se zesílením k P, proto se i pro ni používá čsto název zesílení regulátoru. Rozměr váhy proporcionální složky r zesílení regulátoru k P je dán podílem rozměru kční veličiny u( rozměru regulční odchylky e(. Čsové konstnty I D mjí rozměr čsu. Rozměr váhy integrční složky r je dán podílem rozměru proporcionální složky r rozměru čsu, rozměr váhy derivční složky je dán násobkem rozměru váhy proporcionální složky r rozměru čsu. Regulátor typu PID Použitím Lplceovy trnsformce z předpokldu nulových počátečních podmínek získáme přenos regulátoru typu PID U r r r s kp Ds E( s I s Integrční složk (I) zjišťuje vysokou hodnotu modulu kmitočtového přenosu regulátoru PID při nízkých úhlových kmitočtech především v ustálených stvech (ω = ), derivční složk (D) při vysokých úhlových kmitočtech proporcionální složk (P) v celém prcovním pásmu úhlových kmitočtů, le především pro střední úhlové kmitočty. Vhodnou volbou jednotlivých složek P, I D, tj. vhodnou volbou hodnot stvitelných prmetrů regulátoru r, r r, příp. k P, I D lze dosáhnout vysoké hodnoty modulu kmitočtového přenosu regulátoru nebo modulu kmitočtového přenosu otevřeného regulčního obvodu, tím i splnění cíle regulce. Regulátor typu PID A R () kp kp I j I r r j I kpd j kpd r j r D P kp k P r r ω 4

3 Konvenční nlogové regulátory yp Přenos ( P k P I I s 3 PI k P I s 4 PD k P Ds 5 PID kp Ds I s 6 PIDi k P D s Regulátor PID s interkcí Is Sériové zpojení PI PD regulátoru 4 Číslicové regulátory Blokové schém regulčního obvodu s číslicovým regulátorem w(k) e(k) u(k) u ( ČR Č/A S v( y( y(k) A/Č Kompktní ČR 5 Číslicové regulátory číslicový (diskrétní) regulátor typu PSD (proporcionálně sumčně diferenční) k D u( k) k P e( k) e( i ) e ( k) e[( k ) ] I i k K Pe( k) K S ( ) ( ) [( ) ], e i K D e k e k i P D S kde je: K P váh proporcionální složky, K S váh sumční složky, K D váh diferenční složky, vzorkovcí period, k diskrétní čs. Pro stvitelné prmetry číslicového regulátoru PSD pltí D K P kp, K S kp, K D kp I kp K P, K P I, K D D K S K P 5

6 Číslicové regulátory Přírůstkové lgoritmy I PS PSD u( k) u( k ) e( k) I u( k) u( k ) k p e( k) e( k ) e( k) I ( k ) g e( k) g e( k ) g e( k u k) u ) ( g k D p D g k p I D g k p 7 Číslicové regulátory u(k ) u ( u( t ) u( t ) u( 4 3 Z průběhu vyplývá, že tvrovná kční veličin u ( pro mlou hodnotu vzorkovcí periody může být nhrzen spojitou kční veličinou u( zpožděnou o polovinu vzorkovcí periody, tj. u(t /). 8 Číslicové regulátory Náhrdní blokové schém regulčního obvodu s číslicovým regulátorem V ( W ( ( s e ( Y ( 6

9 Volb vzorkovcí periody Pro volbu vzorkovcí periody neexistují jednoznčná prvidl doporučení. Pro orientční hrubou volbu lze použít následující doporučení. Vzorkovcí period Proces ( 5) μs přesné řízení modelování, elektrické systémy; energetické systémy; přesné řídicí roboty (,5 ) ms stbilizce výkonových systémů, letové simulátory, trenžéry ( ) ms zprcování obrzů, virtuální relit, umělé vidění (,5 ) s monitorování řízení objektů; chemické procesy, elektrárny ( 3) s regulce průtoků ( 5) s regulce tlku (5 ) s regulce hldiny ( ) s regulce teploty strn Stbilit Stbilit (lineárního) regulčního obvodu je definován jko jeho schopnost ustálit všechny veličiny n konečných hodnotách, pokud se vstupní veličiny ustálí n konečných hodnotách. Vstupními veličinmi u regulčního obvodu jsou žádná veličin w( všechny poruchové veličiny, nejčstěji gregovné do jediné poruchové veličiny v(. Je zřejmé, že následující definice je ekvivlentní. Regulční obvod je stbilní, když omezeným vstupům odpovídjí omezené výstupy. Z obou definic vyplývá, že stbilit je chrkteristická vlstnost dného regulčního obvodu, která nezávisí n konkrétních vstupech ni n konkrétních výstupech. strn Stbilit Vzhledem k tomu, že regulční obvod plně popisuje rovnice Y Gwy W Gvy V nebo E Gwe( W Gve V je zřejmé, že stbilit musí být dán výrzem, který vystupuje ve všech zákldních přenosech, tj. přenosu řízení G wy ( přenosu poruchy G vy ( nebo odchylkovém přenosu řízení G we ( odchylkovém přenosu poruchy G ve (. Ze vzthů pro zákldní přenosy vyplývá, že tímto výrzem je jejich jmenovtel M o No M o N( Go No No No kde je G o ( přenos otevřeného (rozpojeného) regulčního obvodu (obecně je dán součinem všech přenosů ve smyčce), N o ( chrkteristický mnohočlen otevřeného regulčního obvodu (mnohočlen ve jmenovteli přenosu otevřeného regulčního obvodu), M o ( mnohočlen v čitteli přenosu otevřeného regulčního obvodu. 7

strn Stbilit Mnohočlen N No M o se nzývá chrkteristický mnohočlen regulčního obvodu po jeho přirovnání nule se obdrží chrkteristická rovnice regulčního obvodu N nutnou postčující podmínkou stbility řešení lineární diferenciální rovnice je, by kořeny s, s,..., s n jejího chrkteristického mnohočlenu (příp. její chrkteristické rovnice) měly zápornou reálnou část, tj. n N ns s n ( s ( s s ) ( s sn ) Re, pro i,, n si, Je tedy zřejmé, že podmínk zápornosti reálných částí kořenů chrkteristického mnohočlenu regulčního obvodu nebo ekvivlentně kořenů chrkteristické rovnice regulčního obvodu je nutnou postčující podmínkou (symptotické) stbility dného regulčního obvodu. strn 3 Stbilit Dále je třeb si uvědomit, že kořeny s, s,..., s n jsou součsně póly všech zákldních přenosů (tj. přenosu řízení poruchy odchylkových přenosů řízení poruchy, tedy jsou to póly celého regulčního obvodu. oto nepltí pro nuly zákldních přenosů. Póly regulčního obvodu jsou pro dynmické vlstnosti regulčního obvodu zásdní. Im s Re strn 4 Hurwitzovo kritérium stbility Hurwitzovo kritérium stbility je lgebrické kritérium, proto není vhodné pro regulční obvody s doprvním zpožděním (exponenciální funkce není lgebrická). Může všk být použito pro přibližné ověření stbility v přípdě, že doprvní zpoždění se zstoupí jeho proximcí ve tvru rcionální lomené funkce. Hurwitzovo kritérium stbility může být formulováno ve tvru: Lineární regulční obvod s chrkteristickým mnohočlenem Adolf Hurwitz * 6. 3. 859 Hildesheim, Germny + 8.. 99 Zürich, Switzerlnd http://en.wikipedi.org/wiki/aurel_stodol N n ns s bude (symptoticky) stbilní tehdy jen tehdy, když: ) všechny koeficienty,,..., n existují jsou kldné (je to nutná podmínk stbility zformulován slovenským technikem A. Stodolou), Aurel Stodol *. 5. 859 Liptovský Mikuláš, Slovki + 5.. 94 Zürich, Switzerlnd http://en.wikipedi.org/wiki/aurel_stodol 8

strn 5 Hurwitzovo kritérium stbility b) hlvní rohové minory (subdeterminnty) Hurwitzovy mtice n n H n3 n n n5 n4 n3, n n3 H n, H,, H n H n n jsou kldné. strn 6 Hurwitzovo kritérium stbility Protože pltí H = n, H n = H n, stčí kontrolovt kldnost pouze H, H 3,..., H n. Nulovost některého z Hurwitzových subdeterminntů oznčuje mez stbility. k npř. bude-li =, pk jeden pól je nulový (počátek souřdnic v komplexní rovině. ento přípd chrkterizuje nekmitvou mez stbility. Když H n =, pk dv póly jsou ryze imginární (póly leží n imginární ose souměrně podle počátku souřdnic v komplexní rovině. V tomto přípdě jde o kmitvou mez stbility. strn 7 Nyquistovo kritérium stbility Nyquistovo kritérium stbility je kmitočtové, n rozdíl od Hurwitzov Michjlovov kritéri vychází z vlstností otevřeného regulčního obvodu je vhodné i pro regulční obvody s doprvním zpožděním. Může být dokonce rozšířeno i n některé nelineární regulční obvody. Hrry heodor Nyquist * 7.. 889, Stor Kil, Sweden + 4. 4. 976 Hrligen, exs, USA http://en.wikipedi.org/wiki/hrry_nyquist Ws () et () Es () t G S () s Vs () Ys () yt () t G (j ) o G o k Regulční obvod n kmitvé mezi stbility 9

strn 8 Nyquistovo kritérium stbility Obrázek vyjdřuje tu skutečnost, že je-li lineární regulční obvod n kmitvé mezi stbility, pk mplitudofázová kmitočtová chrkteristik stbilního otevřeného regulčního obvodu prochází bodem n záporné reálné poloose. Bod n záporné reálné poloose se nzývá kritický bod. kritický bod Im Go(jω) q = ω = ω = stbilní n mezi stbility nestbilní - Re strn 9 Nyquistovo kritérium stbility Nyní lze již zformulovt Nyquistovo kritérium stbility: Lineární regulční obvod je (symptoticky) stbilní tehdy jen tehdy, když mplitudofázová kmitočtová chrkteristik stbilního otevřeného regulčního obvodu G o (jω) pro ω neobklopuje kritický bod n záporné reálné poloose. Integrční členy vystupující v hlvní zpětnovzební větvi, tj. ve smyčce, se z hledisk Nyquistov kritéri stbility nepovžují z nestbilní (jsou to v podsttě neutrální členy). Jejich počet se oznčuje písmenem q nzývá se stupeň sttismu regulčního obvodu (typ regulčního obvodu). V tomto přípdě pro rozhodnutí o tom, zd mplitudofázová kmitočtová chrkteristik otevřeného regulčního obvodu G o (jω) obklopuje či neobklopuje kritický bod, je třeb tuto chrkteristiku spojit s kldnou reálnou poloosou kružnicí o nekonečně velikém poloměru (ukázáno čárkovně), strn 3 Nyquistovo kritérium stbility Im Go(jω) q = ω - Stbilní regulční obvody ω = r r Re r q = ω Pokud mplitudofázová kmitočtová chrkteristik otevřeného regulčního obvodu G o (jω) má průběh ukázný pro q =, pk jde o podmíněnou stbilitu, kdy jk pokles, tk i vzrůst hodnoty A o (ω) pro fázi π může způsobit nestbilitu regulčního obvodu.