Ṡystémy a řízení. Helikoptéra Petr Česák

Podobné dokumenty
Pro model vodárny č. 2.; navrhněte a odzkoušejte vhodné typy regulátorů (P, PI, I, PD a PID), za předpokladu, že je:

Nastavení parametrů PID a PSD regulátorů

PROTOKOL O LABORATORNÍM CVIČENÍ - AUTOMATIZACE

k DUM 08. pdf ze šablony 1_šablona_automatizační_technika_I 03 tematický okruh sady: regulátor

Stanovení typu pomocného regulátoru v rozvětvených regulačních obvodech

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Vlastnosti regulátorů

PROSTŘEDKY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologíı Ústav automatizace a měřicí techniky v Brně

Srovnání PID regulace a anisochronního řízení na PLC Tecomat Foxtrot

Práce s PID regulátorem regulace výšky hladiny v nádrži

Model helikoptéry H1

Úloha 5 Řízení teplovzdušného modelu TVM pomocí PC a mikropočítačové jednotky CTRL

Spojité regulátory Zhotoveno ve školním roce: 2011/2012. Spojité regulátory. Jednoduché regulátory

Nejjednodušší, tzv. bang-bang regulace

25.z-6.tr ZS 2015/2016

Příklady k přednášce 13 - Návrh frekvenčními metodami

Prostředky automatického řízení Úloha č.5 Zapojení PLC do hvězdy

Příloha A návod pro cvičení 1. SESTAVENÍ MODELU V PROSTŘEDÍ MATLAB SIMULINK Zapojení motoru

Zásady regulace - proudová, rychlostní, polohová smyčka

Zpětná vazba, změna vlastností systému. Petr Hušek

Pozorovatel, Stavová zpětná vazba

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

Obr. 1 Činnost omezovače amplitudy

Regulace. Dvoustavová regulace

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ Fakulta elektrotechnická katedra řídící techniky. Podpora výuky dynamických systémů I.

ISŠ Nova Paka, Kumburska 846, Nova Paka Automatizace Dynamické vlastnosti členů členy a regulátory

HPS - SEŘÍZENÍ PID REGULÁTORU PODLE PŘECHODOVÉ CHARAKTERISTIKY

Projekt realizovaný na SPŠ Nové Město nad Metují. s finanční podporou v Operačním programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost Královéhradeckého kraje

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Kvalita regulačního pochodu

Robustnost regulátorů PI a PID

Klasické pokročilé techniky automatického řízení

Západočeská univerzita. Lineární systémy 2

VLIV VELIKOSTI VZORKOVACÍ PERIODY NA NÁVRH DISKRÉTNÍHO REGULAČNÍHO OBVODU

Regulační obvody se spojitými regulátory

1 Modelování systémů 2. řádu

Opakování z předmětu TES

PŘECHODOVÁ CHARAKTERISTIKA

ZPĚTNOVAZEBNÍ ŘÍZENÍ, POŽADAVKY NA REGULACI

Nespojité (dvou- a třípolohové ) regulátory

Semestrální práce z předmětu X37CAD (CAD pro vysokofrekvenční techniku)

Návrh frekvenčního filtru

Laboratorní úloha č.8 MĚŘENÍ STATICKÝCH A DYNAMICKÝCH CHARAKTERISTIK

CW01 - Teorie měření a regulace

Automatizační technika. Regulační obvod. Obsah

Předmět A3B31TES/Př. 7

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

Metodika generování a ladění modelů neuronových sítí

POPIS, IDENTIFIKACE SYSTÉMU A NÁVRH REGULÁTORU POMOCÍ MATLABU V APLIKACI FOTBAL ROBOTŮ

Filmová odparka laboratorní úlohy

Teoretický úvod: [%] (1)

Návrh konstrukce odchovny 3. dil

Praha technic/(4 -+ (/T'ERATU"'P. ))I~~

Řízení tepelné soustavy s dopravním zpožděním pomocí PLC

POŽADAVKY NA REGULACI

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Západočeská univerzita v Plzni Fakulta aplikovaných věd KKY/LS2. Plzeň, 2008 Pavel Jedlička

Ladění regulátorů v pokročilých strategiích řízení

Fakulta elektrotechnická. Podpora výuky řídicí techniky

2. Základní teorie regulace / Regulace ve vytápění

STŘEDNÍ PRŮMYSLOVÁ ŠKOLA ELEKTROTECHNICKÁ BRNO, KOUNICOVA 16 PRO 3. ROČNÍK OBORU SLABOPROUDÁ ELEKTROTECHNIKA 2. ČÁST

VY_32_INOVACE_AUT -2.N-09-REGULACNI TECHNIKA. Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno

13 - Návrh frekvenčními metodami

Řízení modelu letadla pomocí PLC Mitsubishi

Studijní opory k předmětu 6AA. 6AA Automatizace. Studijní opory k předmětu. Ing. Petr Pokorný 1/40 6AA AUTOMATIZACE 6AA - cvičení

UNIVERZITA PARDUBICE Fakulta elektrotechniky a informatiky. NASTAVENÍ PARAMETRŮ PID REGULÁTORU JAKO OPTIMALIZAČNÍ ÚLOHA Ondřej Zouhar

6 Algebra blokových schémat

X31EO2 - Elektrické obvody 2. Kmitočtové charakteristiky

Ivan Švarc. Radomil Matoušek. Miloš Šeda. Miluše Vítečková. c..~"f~ AKADEMICKÉ NAKlADATEL.STVf. Brno 20 I I

Laboratorní úloha 7 Fázový závěs

PROSTŘEDKY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Stavové modely a stavové řízení

The Optimization of Modules for M68HC08 Optimalizace modulů pro M68HC08

DUM 02 téma: Spojitá regulace - výklad

1. Navrhněte a prakticky realizujte pomocí odporových a kapacitních dekáda derivační obvod se zadanou časovou konstantu: τ 2 = 320µs

KNIHOVNA MODELŮ TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ

Laboratorní úloha Seřízení PI regulátoru

Prostředky automatického řízení

Operační zesilovač, jeho vlastnosti a využití:

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ

Frekvenční charakteristika soustavy tří nádrží

1. Regulace proudu kotvy DC motoru

Řízení motoru Mendocino

14 - Moderní frekvenční metody

12 - Frekvenční metody

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

propustný směr maximální proud I F MAX [ma] 75 < 1... při I F = 10mA > při I R = 1µA 60 < 0,4... při I F = 10mA > 60...

Fakulta elektrotechnická

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Laboratorní cvičení č.10

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

filtry FIR zpracování signálů FIR & IIR Tomáš Novák

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Vysoká škola Báňská. Technická univerzita Ostrava

Příklady k přednášce 11 - Regulátory

Modelování polohových servomechanismů v prostředí Matlab / Simulink

KYBERNETIKA. Prof. Ing. Vilém Srovnal, CSc. Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava

Univerzita obrany. Měření součinitele tření potrubí K-216. Laboratorní cvičení z předmětu HYDROMECHANIKA. Protokol obsahuje 14 listů

Podpora cvičení z předmětu: Teorie automatického řízení I.

Fakulta elektrotechnická. GUI pro návrh PID regulátorů

Transkript:

Ṡystémy a řízení Helikoptéra 2.......... Petr Česák Letní semestr 2001/2002

. Helikoptéra 2 Identifikace a řízení modelu ZADÁNÍ Identifikujte laboratorní model vodárny č. 2.; navrhněte a odzkoušejte vhodné typy regulátorů (P, PI, I, PD a PID), za předpokladu, že je: 1. povolena odchylka do 5% v ustáleném stavu na skok řídicí veličiny 2. požadovaná nulová odchylka v ustáleném stavu na skok řídicí veličiny. Syntézu proveďte, pokud je to možné (není-li zdůvodněte), následujícím způsobem a to alespoň vždy jednou ze dvou nabízených metod: 1. Empirickými metodami - metodou cyklické optimalizace konstant regulátoru nebo podle Zieglera-Nicholse 2. Frekvenčními metodami - typová frekvenční charakteristika nebo zajištění požadované fázové bezpečnosti (zvolte) 3. Metodou umístění pólů uzavřené regulační smyčky - pomocí geometrického místa kořenů nebo výpočtem polohy predominantních pólů Návrh proveďte jak pro ideální varianty PID regulátoru, tak i pro jeho realizovatelnou podobu, která má omezen zisk derivační složky na vyšších frekvencích na hodnotu N: st d st d / ( 1 + st d / N ) N (3-20) Požadavky na regulaci: 1. doba regulace (pásmo "5%) do t rmax = 5 s, povolený překmit 30% (ideální 20%) 2. realizace regulátoru pomocí diskretizované verze PID regulátoru 3. skok polohy 0.5 Petr Česák 1

1) Identifikace modelu Jelikož jsme identifikaci modelu prováděli v minulém semestru, uvádíme zde jen stručný výpočet. Při identifikaci soustavy jsme postupovali podle následujícího postupu: Přechodová charakteristika Ze změřené přechodové charakteristiky určíme: t 0, h(t 0 ), k(směrnice tečny) Z následující tabulky určíme n: n 1 2 3 4 5 6 h(t 0 )/k 0,368 0,271 0,224 0,195 0,175 0,161 Poté aproximační přenos neznámého systému bude ve tvaru: G( s) = k t0 s(1 + s) n n Při měření nám vyšla následující soustava (pro U HR =0,5V;U VR =1,285V) 6,025 Y ( s) G ( s) = = 3 2 s + 2,381s + 1,417s U ( s) Ale vzhledem k tomu, že jsme přenos určili pro nevhodně zvolený bod, použili jsme následující přenos, který jsme dostali se zadáním: G( s) = 27 s( s + 0.25)( s + 2.9) Petr Česák 2

2) Syntéza empirickou metodou Z časovým důvodům nebudeme používat metodou cyklické optimalizace konstant regulátoru. Proto volíme metodu Zieglera-Nicholse: Přenos regulátoru: F r (s) = r 0 + r -1 /s + r 1 *s = r 0 ( 1 + 1/(T i *s) + T d *s ) Postup: 1. r 1 = r -1 = 0 ; tj. T d = 0, T i = 2. Zvětšujeme r 0 tak dlouho, až dosáhneme meze stability - odečteme kritické zesílení r 0k a kritickou periodu kmitů T k. 3. Nastavíme konstanty regulátoru podle jeho typu: Regulátor P PI PID PD r 0 0,5*r 0k 0,45*r 0k 0,6*r 0k 0,45*r 0k T i - 0,85*T k 0,5*T k - T d - - 0,12*T k 0,12*T k Výpočet: 1. r 1 = r -1 = 0 ; tj. T d = 0, T i = 2. r 0k =0,09; T k =7,21s 3. Nastavíme konstanty regulátoru podle jeho typu: Regulátor P PI PID PD r 0 0,045 0,0405 0,054 0,0405 T i - 6,1285 3,605 - T d - - 0,8652 0,8652 Petr Česák 3

Teoretické výsledky: PI jsme nezobrazili, protože nebyl stabilní. Jako vhodné lze zvolit pouze PD a PID. Po bližším přezkoumání je použitelní pouze PD. Petr Česák 4

3) Syntéza frekvenční metoda Pro výpočet jsme použili program Matlab. Napsali jsme si m-file, který bude vypočítávat přechodové charakteristiky a regulátory na základě zadaného přenosu a požadované fázové bezpečnosti. Vzhledem k tomu, že pro požadovanou přesnost regulace nebude stačit P ani PD regulátor (na základě zkušeností a vlastností helikoptéry), budeme v návrhu používat jen PID regulátory. Fázová bezpečnost 45: Prenos regulatoru PID: Transfer function: 0.5312 s^2 + 0.4024 s + 0.07649 ------------------------------- s Tento regulátor nevyhověl požadované době regulace. Petr Česák 5

Pro regulaci bez překmitu volíme fázovou bezpečnost 95: Prenos regulatoru PID: Transfer function: 0.03824 s^2 + 0.08084 s + 0.000707 ---------------------------------- s Pro regulaci s překmitem 30% volíme fázovou bezpečnost 34: Prenos regulatoru PID: Transfer function: 0.9554 s^2 + 0.599 s + 0.2009 ----------------------------- s Dobu ustálení, která bude kratší než 5 sekund se nám nepodařilo nalézt. Při snaze snížit dobu regulace se systém více rozkmitává (při rozkmitu 30% je regulace minimálně 5,4 sekund). TYTO NÁVRHY byly pro náš původně identifikovaný systém (teoreticky). Proto jsme použili přenos uvedený se zadáním, abychom mohli splnit zadání. Petr Česák 6

Nyní tedy provedeme výpočet pro zadaný přenos: G( s) = 27 s( s + 0.25)( s + 2.9) Fázová bezpečnost 45: Prenos regulatoru PID: Transfer function: 0.05772 s^2 + 0.06101 s + 0.004269 ---------------------------------- s Tento regulátor nevyhověl požadované době regulace. Petr Česák 7

Pro regulaci bez překmitu volíme fázovou bezpečnost 102: Prenos regulatoru PID: Transfer function: 0.0005344 s^2 + 0.003283 s + 1.171e-006 --------------------------------------- s Pro regulaci s překmitem 30% volíme fázovou bezpečnost 71: Prenos regulatoru PID: Transfer function: 0.005541 s^2 + 0.01326 s + 8.002e-005 ------------------------------------- s I pro tyto návrhy se nám nepodaří splnit dobu regulace. Zkusíme nalézt co nejkratší dobu regulace, bez ohledu na překmit. Petr Česák 8

Pro regulaci s co nejkratší dobou regulace volíme fázovou bezpečnost 30: Přenos pro takovýto PID regulátor je: Prenos regulatoru PID: Transfer function: 0.2527 s^2 + 0.1653 s + 0.04883 ------------------------------- s Petr Česák 9

4) Syntéza metoda GMK Pro výpočet jsme použili program Matlab. Přenos regulátoru PID: F r (s) = 0,119 + 0,0017/s +0,1677*s Přenos regulátoru PID: F r (s) = 0,115+ 0,0107/s +0,155*s Přenos regulátoru PID: F r (s) = 0,158 + 0,0173/s +0,193*s Petr Česák 10

Přenos regulátoru PID: F r (s) = 0,025+ 0,000473/s + 0,0815*s Přenos regulátoru PID: F r (s) = 0,025+ 0,000683/s+0.0813*s Petr Česák 11

5) Měření na fyzickém modelu regulátor navržen empirickou metodou Nejdříve jsme nastavovali složku P tak dlouho, dokud se systém nerozkmital. Přenos regulátoru P takový, aby systém kmital s konstantní amplitudou je: F r (s) = 0,21 Takovýto regulátor systém kmital s periodou 3,9s. Vypočteme regulátory metodu Zieglera-Nicholse: Regulátor P PID PD r 0 0,105 0,126 0,0945 T i - 1,95 - T d - 0,468 0,468 Přepočteme hodnoty regulátoru na formát ve tvaru: F r (s) = P + I/s + D*s Regulátor P PID PD P 0,105 0,126 0,0945 I - 0,0646 - D - 0,059 0,044 Petr Česák 12

Modře je zobrazen skutečný systém Zeleně je zobrazen model skutečného systému P PD PID Petr Česák 13

6) Měření na fyzickém modelu regulátor navržen frekvenční metodou Přenos regulátoru PID pro fázovou bezpečnost 45: F r (s) = 0,06101 + 0,00427/s + 0,0577*s odezva na skok z 0,5 na 0 matematický model skutečný model Přenos regulátoru PID pro fázovou bezpečnost 102: F r (s) = 0,003283 + 1,71e-6/s + 0,0005344*s odezva na skok z 0,5 na 0 matematický model skutečný model Petr Česák 14

Přenos regulátoru PID pro fázovou bezpečnost 71: F r (s) = 0,01326 + 8e-5/s + 0,005541*s matematický model odezva na skok z 0,5 na 0 skutečný model Přenos regulátoru PID pro fázovou bezpečnost 30: F r (s) = 0,1653 + 0,04883/s + 0,2527*s matematický model odezva na skok z 0,5 na 0 skutečný model Petr Česák 15

7) Měření na fyzickém modelu regulátor navržen metodou GMK Při měření jsme použili regulátor PID navržený pro regulaci podle metody GMK. Přenos regulátoru PID: F r (s) = 0,119 + 0,0017/s +0,1677*s odezva na skok z 0,5 na 0 matematický model skutečný model Přenos regulátoru PID: F r (s) = 0,115+ 0,0107/s +0,155*s odezva na skok z 0,5 na 0 matematický model skutečný model Petr Česák 16

Přenos regulátoru PID: F r (s) = 0,158 + 0,0173/s +0,193*s odezva na skok z 0,5 na 0 matematický model skutečný model Přenos regulátoru PID: F r (s) = 0,194 + 0,0213/s +0,237*s odezva na skok z 0,5 na 0 matematický model skutečný model Pro tyto regulátory vyšla velká regulační odchylka: F r (s) = 0,025+ 0,000473/s + 0,0815*s F r (s) = 0,025+ 0,000683/s+0.0813*s Petr Česák 17

8) Návrh diskrétního regulátoru Diskrétní regulátor jsme navrhli metodou umísťování pólů. K návrhu jsme použili m-file dcppx doc. Johna. Regulátor je navržený jako tzv. silná verze bez krácení pólů. Vzorkovací periodu jsme zvolili 0,5s. Parametry programu dcppx: num=27; den=[1 3.1500 0.7250 0]; l=0; h=0.5; zeromax=0; získané parametry regulátoru: M=[0.597 0 0]; N=[1.82-1.47 0.246]; T=[1 1.4 0.214] M(z)=0.597z 2 N(z)=1.82z 2-1.47z+0.246 T(z)=z 2 +1.4z+0.214 Schéma zapojení diskrétního regulátoru Průběh simulace: žádaná hodnota regulovaná veličina regulační zásah Petr Česák 18

9) Závěr Na měření jsme měli jen dvě hodiny, proto jsme vynechali identifikaci soustavy. Pro první hodinu jsme si navrhli regulátory pro soustavu identifikovanou v minulém semestru. Bohužel při praktickém měření byly naměřené charakteristiky velmi odlišné od skutečnosti, proto jsme výsledky měření v tomto laborátu ani neuváděli. Důvodem byl zřejmě špatně zvolený pracovní bod soustavy.pro návrh regulátorů jsme použili zadaný přenos regulátoru, v kterém jsme upravili čitatel přenosu tak, aby odpovídal skutečnému modelu. Při návrhu regulátoru pomocí empirické metody se ukázal jako nejvhodnější regulátor typu PD. Regulátor PID byl již velice nestabilní (kmital). Při návrhu regulátoru pomocí fázové bezpečnosti se nepodařilo v praxi najít vhodný regulátor. Teoreticky vycházeli charakteristiky velmi vhodně. Bohužel nelze takto navržené regulátory v praxi použít.. U návrhu regulátoru metodou geometrického místa kořenů se nedařilo u systému navrhnout překmit menší než 30% (optimálně 20%). Ale při praktickém měření na modelu byl překmit velice zanedbatelní oproti návrhu. Petr Česák 19