au predavanje11 bez animacija
TRANSCRIPT
Automatsko upravljanje 2010/2011
Prof.dr.sc. Nedjeljko Peric, Prof.dr.sc. Zoran VukicDoc.dr.sc. Mato Baotic, dr.sc. Mario Vašak
Zavod za automatiku i racunalno inženjerstvoFakultet elektrotehnike i racunarstva
Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 1 / 39
Uvod
Sažetak Predavanja 10
• Izbor mjesta polova u s-ravnini (odred_enih parametrima ζ i ωn)
odred_uje dinamicke pokazatelje kvalitete sustava u vremenskom
podrucju (neposredni pokazatelji kvalitete)
• Dobivene su relacije za odred_ivanje neposrednih pokazatelja
kvalitete sustava drugog reda bez nula:
tr =1.8ωn
tm = π
ωn
√1−ζ2
t1% = 4.6ζωn
σm = e−πζ√1−ζ2
• Te su relacije valjane i za sustave višeg reda od dva, ako je jedanpar polova sustava dominantan, a ostali polovi relativno daleko odjω-osi (nedominatni polovi)
• Nule sustava znacajno utjecu na vremenski odziv, ovisno o njihovupoložaju u odnosu na polove sustava
• Nule sustava iz desne poluravnine s-ravnine uzrokuju pojavu"inverznog odziva" zbog cega je ove sustave teško upravljati
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 2 / 39
Uvod
Cilj
• Nauciti osnovne strukture SAU, te njihove prednosti i nedostatke
• Spoznati dobre i loše strane SAU bez povratne veze
• Spoznati dobre i loše strane SAU s povratnom vezom
• Razumjeti razloge za primjenu SAU s više povratnih veza
• Razumjeti nacela rada adaptivnih SAU
• Razumjeti nacela rada SAU s unutarnjim modelom
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 3 / 39
Uvod
Osnovne strukture SAU
• SAU bez povratne veze – u otvorenom krugu (engl. Open Loop, OL)
• SAU s povratnom vezom – u zatvorenom krugu (engl. Closed Loop,CL)
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 4 / 39
Struktura SAU bez povratne veze
Opca struktura SAU bez povratne veze
Regulator(Upravljački
ureñaj)
Vodeća(postavna)
veličinaUpravljačka
veličinaAktuator
Izvršnaveličina
Objekt
Izlazna(regulirana)
veličina
Poremećaji
Slika 11.1: Blokovski prikaz SAU bez povratne veze
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 5 / 39
Struktura SAU bez povratne veze
Primjer 11.1: Upravljanje temperaturom prostorije bezpovratne veze (1)
• Mjeri se vanjska temperatura ϑA, mjerni se signal dovodi naupravljacki ured
_aj
• Upravljacki ured_aj djeluje po unaprijed odabranom programu na
motor M ventila V kojim se upravlja protokom Q (toplinskomenergijom) kroz radijator
z'1 (Prozor otvoren)
M
Osjetilo vanjske temperature
ϑAz'2 yϑP
Upravljački ureñaj
QV
ϑA
u
Slika 11.2: Upravljanje temperaturom prostorije u otvorenom krugu
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 6 / 39
Struktura SAU bez povratne veze
Primjer 11.1: Upravljanje temperaturom prostorije bezpovratne veze (2)
• Program pokojem radiupravljackiured
_aj
definiran jeovisnošcu:
Q = f (ϑA) (11-1)20 200
1
2
3
Q
ϑA
Slika 11.3: Program po kojem radiupravljacki ured
_aj
1 - programjakogzagrijavanja2 - programsrednjegzagrijavanja3 - programslabogzagrijavanja
• Kod promatranog primjera imamo 2 poremecaja (smetnje) (engl.disturbance) na sustav:
• z′
1 – temperaturni poremecaj uvjetovan otvaranjem prozora (uovakvom upravljanju ne može se kompenzirati)
• z′
2 – vanjska temperatura (koja se mjeri)Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 7 / 39
Struktura SAU bez povratne veze
Primjer 11.1: Upravljanje temperaturom prostorije bezpovratne veze (3)
• Blokovski prikaz sustava upravljanja prema slici 11.2• Blokovima 1, 2 i 3 predstavljena je dinamika toplinskog ponašanja
prostorije
1
2
3
+ + +
-
y
Upravljačkiureñaj
u
z'1
z'2
Kompenzacijautjecaja
poremećaja z'2Prostorija
Slika 11.4: Blokovski prikaz sustava upravljanja prema slici 11.2
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 8 / 39
Struktura SAU bez povratne veze
Kada se može koristiti SAU bez povratne veze?
• Kada je proces (objekt) kojim se upravlja stabilan (stabilnost SAU bitce obrad
_ena u narednim predavanjima)
• Kada nije moguce mjeriti izlaznu (reguliranu) velicinu
• Kada nema izraženijih djelovanja nekompenziranih poremecaja naproces (objekt) kojim se upravlja
• Kada nema promjene dinamickog vladanja upravljanog procesa(objekta), tj. kada se radi o vremenski invarijantnom sustavu
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 9 / 39
Struktura SAU bez povratne veze
Svojstva SAU bez povratne veze
• Sustav se može prikazati kao slijed u seriju spojenih blokova koji radipo principu uzrocno posljednickog djelovanja; rad sustava odvijase po tocno odred
_enom vremenskom slijedu
• Sustav radi po unaprijed definiranom i "ugrad_enom programu" (u
praksi cešce susretano pod nazivom "programska regulacija")
• Za svaki režim rada sustava zadaje se postavna velicina; primjerice,sustav upravljanja temperaturom prostorije, ili sustav upravljanjastrojem za pranje rublja
• Sustav je potrebno povremeno kalibrirati (zbog vremenskepromjene njegovih karakteristika) kako bi se osigurala traženatocnost sustava
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 10 / 39
Struktura SAU bez povratne veze
Poboljšanje rada SAU bez povratne veze korekcijomvodece velicine (1)
• Poboljšanje dinamickog vladanja SAU bez povratne veze može sepostici pomocu korekcije vodece velicine
Selektorreference
Vodećaveličina
Referentnisignal Upravljački
ureñaj
Poremećaji
Aktuator+
Objekt
Reguliranaveličina
Korektorvodeće veličine
+
+
Slika 11.5: Korekcija vodece velicine
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 11 / 39
Struktura SAU bez povratne veze
Poboljšanje rada SAU bez povratne veze korekcijomvodece velicine (2)
• Korektor ima ulogu da pri "pokretanju sustava" doda odred_eni iznos
signala (koji vremenom išcezne) kako bi na ulazu u upravljackiured
_aj u pocetnim trenutcima došao povecani referentni signal
• U tom slucaju upravljacki ured_aj brže reagira ("forsira" sustav) i
usmjerava objekt (proces) prema željenom stanju (radnoj tocki)prije nego bi se to dogodilo bez ove korekcije
• Korektor osigurava predupravljanje po vodecoj velicini i predstavljapolaznu ideju za primjenu pretkompenzatora vodece vrijednosti(engl. feedforward compensator) naširoko primjenjivanog uslijednoj regulaciji
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 12 / 39
Struktura SAU bez povratne veze
Poboljšanje rada SAU bez povratne veze kompenzacijomporemecaja (1)
• Ako na objekt (proces) djeluje poremecaj koji je mjerljiv, ili koji semože estimirati (odrediti na temelju matematickog modelaprocesa), tada je strukturu SAU bez povratne veze mogucenadograditi unaprijednom petljom (engl. feedforward loop)
Selektorreference
Vodećaveličina
Referentnisignal Upravljački
ureñaj
Mjerljiviporemećaj
Aktuator+
Objekt
Reguliranaveličina
Kompenzatorporemećaja
++
Mjerni članporemećaja
Nemjerljiviporemećaj
Unaprijedna petlja
Slika 11.6: Kompenzacija poremecaja
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 13 / 39
Struktura SAU bez povratne veze
Poboljšanje rada SAU bez povratne veze kompenzacijomporemecaja (2)
• Ovdje se radi o konceptu unaprijednog predupravljanja poporemecaju (engl. feedforward concept), kojim se postiže da seinformacija o poremecaju dovede na regulator "unaprijed" teregulator poduzima djelovanje na objekt (proces) prije nego sedjelovanje poremecaja manifestira na izlaznu (reguliranu) velicinu
• Ovaj koncept u suštini nalikuje konceptu prediktivnog upravljanja
• Koncept predupravljanja je proaktivan za razliku od konceptapovratne veze (engl. feedback concept) koji je reaktivan jer sezasniva na reakciji sustava, tj. na kompenzaciji regulacijskogodstupanja (e = r − y) nastalog uslijed djelovanja poremecaja nareguliranu velicinu
• Kompenzator poremecaja (predupravljacki ured_aj) zasniva se na
matematickom modelu procesa (na inverznom matematickommodelu procesa)
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 14 / 39
Struktura SAU bez povratne veze
Dobre strane SAU bez povratne veze
• Jednostavan i prirodan koncept upravljanja
• Prikladan kada reguliranu velicinu nije moguce mjeriti (najednostavan nacin)
• Niska cijena izvedbe, ugradnje i održavanja
• Zajamcena stabilnost sustava uz pretpostavku stabilnog procesakojim se upravlja
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 15 / 39
Struktura SAU bez povratne veze
Loše strane SAU bez povratne veze
• Poremecaji koji djeluju na proces i promjene parametara procesauzrokuju odstupanje regulirane velicine od željene vrijednosti
• Potrebna je povremena kalibracija sustava da bi se postiglaželjena kvaliteta upravljanja
• Kod vremenski promjenljivih sustava i nestabilnih sustava, SAU bezpovratne veze nije moguce primijeniti
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 16 / 39
Struktura SAU bez povratne veze
Tipicne primjene SAU bez povratne veze
• Upuštanje postrojenja u rad i njegovo dovod_enje u automatski
režim rada
• Zaustavljanje postrojenja i njegovo dovod_enje u miran ili sigurnosan
režim rada
• U sustavima blokada i zaštita u postrojenjima
• Upravljanje elektrohidraulickim i elektropneumatskim ventilima
• Proizvodni pogoni – automatizirane proizvodne linije
• U ekonomskim sustavima temeljenim na planskoj ekonomiji
• ...
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 17 / 39
Struktura SAU s povratnom vezom
Opca nacela SAU s povratnom vezom
• Kod zatvorenih SAU regulator koristi informaciju o reguliranoj(izlaznoj) velicini preko petlje negativne povratne veze(e(t) = r(t)− y(t)), za razliku od SAU bez povratne veze
• Regulator, prema odred_enom algoritmu, odred
_uje upravljacku
(izvršnu) velicinu u(t) = f (e(t)) koja djeluje reaktivno preko izvršnogelementa (aktuatora) na upravljani proces
• Zahvaljujuci konceptu povratne veze postigla su se velikadostignuca u znanosti i tehnici u dvadesetom stoljecu (a i prije)
• Koncept povratne veze je univerzalan koncept!(Tržišna ekonomija funkcionira na principu povratne veze)
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 18 / 39
Struktura SAU s povratnom vezom
Opca struktura SAU s povratnom vezom
RegulatorIzvršni član
(organ)
Vladanje sobzirom na
vodećuvrijednost
Mjerni član
Vladanje sobzirom na
smetnju
proces
ue
z
++
+
z'
r +
_
y(uR) (yS)
Slika 11.7: Opca struktura SAU s povratnom vezom
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 19 / 39
Struktura SAU s povratnom vezom
Primjer 11.2: Upravljanje temperaturom prostorije spovratnom vezom (1)
Osjetilo temperature
prostorije
rR
U
z'1 (Prozor otvoren)
M
ϑy P
QV
Slika 11.8: Upravljanje temperaturom prostorije u zatvorenom kruguAutomatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 20 / 39
Struktura SAU s povratnom vezom
Primjer 11.2: Upravljanje temperaturom prostorije spovratnom vezom (2)
1
2
3 +
++-
yUpravljačkiureñaj
u
z'1
z'2
Prostorija
er +
Slika 11.9: Blokovski prikaz sustava upravljanjaprema slici 11.8
• Ova strukturapredstavlja zatvorenitijek djelovanja(regulacijski krug,regulacijska petlja)
• Ovom se strukturommože kompenziratiutjecaj svih smetnji(zahvaljujucinegativnojpovratnoj vezi)
• Ova struktura možepostati nestabilna(regulirana velicinamože oscilirati)
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 21 / 39
Struktura SAU s povratnom vezom
Kada se može koristiti SAU s povratnom vezom?
• Kada je moguce mjeriti reguliranu velicinu
• Kada je proces kojim se upravlja nestabilan (koncept negativnepovratne veze stabilizira nestabilni proces)
• Kada na proces kojim se upravlja djeluju poremecaji (mjerljivi inemjerljivi)
• Kada je proces kojim se upravlja vremenski promjenljiv (u ovom seslucaju osnovna struktura SAU s povratnom vezom moženadograditi mehanizmom adaptacije)
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 22 / 39
Struktura SAU s povratnom vezom
SAU s više povratnih veza
• Osnova struktura SAU s povratnom vezom može se proširiti na SAU sviše povratnih veza
• Ovisno o broju povratnih veza (petlji) SAU se mogu podijeliti na:
• SAU s jednom petljom (jednopetljasti SAU)• SAU s više petlji (višepetljasti SAU)
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 23 / 39
Struktura SAU s povratnom vezom
Primjer 11.3: Upravljanje brodom po kursu i trajektoriji u 2Dprostoru (dvopetljasti SAU) (1)
δCRegulatortrajektorije
+ Regulatorkursa
Kormilarskiureñaj i brod
KinematikaΨv
-
Sustav upravljanja po kursu broda
x
y-
ry
Sustav upravljanja po trajektoriji broda
rΨ
Slika 11.10: Upravljanje brodom po kursu i trajektoriji
• Sustav vod_enja i upravljanja gibajucim objektima (brod, zrakoplov,
bespilotna ronilica, mobilni robot, i sl.) treba ostvariti:• položaj (posturu) i brzinu objekta (usmjerenost objekta na zadanom
kursu (Ψ) s odred_enom brzinom gibanja (v)) - rješava sustav
upravljanja po kursu (stabilizacijom po kursu)• poziciju objekta u prostoru (x ,y ,z) – rješava sustav upravljanja po
trajektoriji (slijed_enjem trajektorije)
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 24 / 39
Struktura SAU s povratnom vezom
Primjer 11.3: Upravljanje brodom po kursu i trajektoriji u 2Dprostoru (dvopetljasti SAU) (2)
• Kinematika – bavi se opisom geometrijskih karakteristika gibanjabez razmatranja sila i momenata koje uzrokuju gibanje (dajepoziciju objekta u odabranom koordinatnom sustavu)
• Kinetika (dinamika) – bavi se opisom sila i momenata koji uzrokujugibanje objekta primjenjujuci zakone fizike koji vrijede za razmatraniobjekt (daje mogucnost proracuna varijabli, na slici su to brzinabroda i kurs broda, pomocu kojih se može odrediti pozicija x i y)
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 25 / 39
Struktura SAU s povratnom vezom
Dobre strane SAU s povratnom vezom
• SAU s povratnom vezom mogu stabilizirati nestabilni proces
• SAU s povratnom vezom mogu osigurati savršenu tocnost sustava ustacionarnom stanju (e(t → ∞) = 0) prikladnim izborom regulatora
• SAU s povratnom vezom povecava robusnost sustava, tj. smanjujenjegovu osjetljivost na promjene parametara komponenatasustava
• SAU s povratnom vezom znacajno smanjuju utjecaj poremecajakoji djeluju na proces prikladnim izborom strukture i parametararegulatora
• SAU s povratnom vezom znacajno povecava brzinu odziva(propusnog opsega) u odnosu na brzinu odziva nereguliranogprocesa
Napomena: Teoretska podloga za razumijevanje svih navedenihsvojstava bit ce izložena u narednim predavanjima
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 26 / 39
Struktura SAU s povratnom vezom
Loše strane SAU s povratnom vezom
• SAU s povratnom vezom koji upravlja stabilnim procesom možepostati nestabilan ako nije usklad
_ena dinamika regulatora i
upravljanog procesa; zbog toga je iznimno važno dobropoznavanje dinamike upravljanog procesa i odabir strukture iparametara regulatora u skladu s dinamikom procesa
• SAU s povratnom vezom su složeniji i skuplji od SAU bez povratneveze; ova cinjenica ne smije predstavljati prepreku preferiranju SAUs povratnom vezom, imajuci u vidu sve dobre strane SAU spovratnom vezom
• Koncept povratne veze mocan je koncept, samo ako ga znamokoristiti na dobar nacin (znanjem iz automatskog upravljanja); uprotivnom, mogu se ocekivati havarije
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 27 / 39
Struktura SAU s povratnom vezom
Primjer 11.4: Slijedni sustav (1)
• Istosmjerni motor pogoni potenciometar (slijedni potenciometar)ciji kutni položaj ϕ2 treba slijediti kutni položaj vodecegpotenciometra ϕ1, a da pri tome odstupanje ϕ1 − ϕ2 bude cimmanje
• Oba potenciometra spojena su u mosni spoj s konstantnimnaponom napajanja Us
M Prigon
Us
Vodeći
potenciometar
= r = y
u
ud ua
Slijedni
potenciometar
u
KR (Diferencijalno pojačalo = Regulator)
1ϕ1ϕ
2ϕ
2ϕ
Slika 11.11: Slijedni sustav
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 28 / 39
Struktura SAU s povratnom vezom
Primjer 11.4: Slijedni sustav (2)
• Dijagonala mosnog spoja ima napon:
ud = uϕ1 − uϕ2 (11-2)
• Ako je ud = 0, onda je ϕ1 = ϕ2
• Ako se u stanju ϕ1 = ϕ2 (ud = 0) zakrene vodeci potenciometar,mosni spoj postaje neuravnotežen (ud 6= 0), pa ce se prekodiferencijalnog pojacala pojaviti napon na armaturi motora:
ua = KR · ud , (11-3)
gdje je KR podesivo pojacanje regulatora
• Taj ce napon izazvati zakretanje motora koje ce se prenijeti prekoprigona na zakretanje slijednog potenciometra
• Proces zakretanja (slijed_enja) slijednog potenciometra traje sve
dotle dok se ne postigne ud = 0, tj. sve dotle dok zakret slijednogpotenciometra ne postane jednak zakretu vodecegpotenciometra
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 29 / 39
Struktura SAU s povratnom vezom
Primjer 11.4: Slijedni sustav (3)
• Vladanje sustava uz promjenljivo pojacanje regulatora KR
• S porastom pojacanja povecava se oscilatornost, s tendencijomda sustav postane nestabilan
ϕ1
0 t
KR4
KR3
KR2
KR1
KR1 KR2 KR3 KR4< <<
y ɵ= ϕ2
1ˆr = ϕ
Slika 11.12: Vladanje slijednog sustava uz promjenljivo pojacanje regulatora
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 30 / 39
Druge strukture SAU
Druge strukture SAU
• Pored navedenih temeljnih struktura SAU (bez povratne veze i spovratnom vezom), za praksu su važne i mnoge druge strukture,med
_u njima posebno su znacajne:
• Adaptivna struktura sa samougad_anjem (samopodešavanjem)
parametara regulatora (engl. Self Tuning Regulator, STR struktura)• Adaptivna struktura s referentnim modelom (engl. Model Reference
Adaptive System, MRAS struktura)• Struktura SAU zasnovana na unutarnjem modelu (engl. Internal Model
Control, IMC struktura)
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 31 / 39
Druge strukture SAU STR struktura
STR struktura• Adaptivne strukture prirodna su
proširenja osnovne strukture SAU spovratnom vezom
• STR struktura primjenjuje se uslucajevima kada se parametriprocesa vremenski mijenjaju(vremenski promjenljivi sustavi)uslijed promjene režima procesa ikada se zahtijeva visoka kvalitetasustava upravljanja
r Procesy
Sintezaregulatora
+
-
Estimacijaparametara
Petljaadaptacije
e RegulatorOsnovni
regulacijskikrug
Adaptivni STR
u
Slika 11.13: STR struktura
• Parametri regulatora moraju se usklad_ivati na promjene
parametara upravljanog procesa (dinamika regulatora trebapratiti dinamiku procesa)
• Stoga je potrebno pratiti promjene parametara procesa ustvarnom vremenu što je zadaca identifikacije procesa (estimacijaparametara procesa)
• Na temelju estimiranih parametara procesa odred_uju se u
postupku sinteze parametri regulatora
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 32 / 39
Druge strukture SAU MRAS struktura
MRAS struktura
• MRAS struktura može biti izvedena u inacici parametarske ilisignalne adaptacije (na slici 11.14 prikazan je MRAS sparametarskom adaptacijom)
Referentnimodel
Osnovniregulacijski krug
Promjene parametaraprocesa
-
+
Ureñaj zaadaptaciju
Parametri regulatora
ym
Referentnavrijednost
z
e*
y
ΘΘΘΘ
ξξξξ
Slika 11.14: MRAS strukturaAutomatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 33 / 39
Druge strukture SAU IMC struktura
IMC struktura
• IMC regulatorzasniva se namatematickommodelu upravljanogprocesa; zbog togaje iznimno važnoimati vjerodostojanmatematicki modelprocesa
r Proces y+-
Modelprocesa
e Regulator
IMC regulator
- +
u
ym
Slika 11.15: IMC struktura
• Ako matematicki model tocno modelira dinamiku upravljanogprocesa, signal povratne veze (odstupanje izmed
_u procesa i
modela) imat ce vrijednost jednaku nuli pa se IMC strukturapretvara u SAU bez povratne veze
• IMC struktura, kao i sve strukture zasnovane na matematickommodelu procesa, osjetljiva je s obzirom na promjene parametaraprocesa; pitanje robusnosti sustava upravljanja postaje kljucnopitanje
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 34 / 39
Druge strukture SAU IMC struktura
IMC struktura – Primjena za upravljanje procesima sizraženim transportnim kašnjenjem
• Postojanje transportnog kašnjenja (mrtvog vremena) svojstveno jeonim procesima u kojima se obavlja transport mase (materijala),energije ili informacije
• Algoritam upravljanja (regulator) treba uzeti u obzir transportnokašnjenje upravljanog procesa; u protivnom, dobilo bi se loševladanje sustava upravljanja
• U praksi se naširoko koristi za upravljane takvim procesima regulatorsa Smithovim prediktorom
• Radi se o regulatoru zasnovanom na matematickom modeluprocesa i koji strukturno uzima u obzir transportno kašnjenje
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 35 / 39
Druge strukture SAU Smithov prediktor
IMC struktura – Smithov prediktor (1)
• Stvarnom procesu uparalelu je dodannjegov matematickimodel koji uzima u obzirtransportno kašnjenje(G′
P(s)e−Tt s)
R
+
Predikcija
Stvarni
proces
P
P
-Tts
+ -
+R(s) + E(s)
z
-
Y(s)
Ym(s)
Y(s)
GR(s)
U(s)
Slika 11.16: Regulator sa Smithovim prediktorom
GR'(s)+ Stvarniproces
GP'(s) GP'(s)e-Tts
- -
+R(s)
z
-
Y(s) Ym(s)
Y(s)GR(s)
U(s) + Y(s)-Ym(s)
Slika 11.17: Regulator sa Smithovim prediktorom
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 36 / 39
Druge strukture SAU Smithov prediktor
IMC struktura – Smithov prediktor (2)
• Ako bi odstupanje izmed_u matematickog modela i procesa
(Y (s)− Ym(s)) bilo jednako nuli, tada bi struktura sa slike 11.17poprimila oblik:
GR'(s)+ Stvarniproces
GP'(s)
- -
+R(s)
z
Y(s)
Y(s)GR(s)
U(s)
Slika 11.18: Modificirana strukturaupravljanja prikazana na Slici 11.17
• Ovo je struktura SAU bezpovratne veze
• Interno je samomregulatoru G′
R(s) upovratnoj vezi dodanmatematicki modelprocesa bez transportnogkašnjenja (G′
P(s))
• Važno je uociti:• Velicina Y (s) predstavlja predikciju izlaznog signala stvarnog procesa
Y (s)
• Predikcijski signal Y (s) sadrži informaciju o stanju na izlazu stvarnogprocesa koja ce se tek dogoditi (zbog toga i nazivi prediktivniregulator i prediktivno upravljanje)
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 37 / 39
Zakljucak
Zakljucak (1)
• SAU nalaze široku primjenu u raznim proizvodnim i radnimpostrojenjima i procesima
• Izbor strukture SAU ovisi o postavljenim zahtjevima na sustavupravljanja
• SAU bez povratne veze u pravilu se koriste za upravljanjeprocesima (objektima) kada zahtjevi na sustav upravljanja nisustrogi i gdje je moguce primijeniti ovaj koncept upravljanja
• SAU s povratnom vezom u pravilu se koriste za upravljanjeprocesima (objektima) kada su zahtjevi na sustav upravljanja strožijii u slucajevima kada je nužno koristiti koncept povratne veze
• Kombinacijom SAU bez i s povratnom vezom i unaprijednogupravljanja s obzirom na poremecaj koji djeluje na proces može sepostici znacajno poboljšanje kvalitete sustava upravljanja
• Naprednije strukture SAU predstavljaju prirodno proširenje osnovnihstruktura SAU (s i bez povratne veze)
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 38 / 39
Zakljucak
Zakljucak (2)
• Adaptivne strukture upravljanja složene su strukture i primjenjuju seu upravljanju procesima ciji se parametri mijenjaju ovisno o radnimrežimima procesa
• Adaptacija parametara regulatora u adaptivnoj strukturi zasnivase na identifikaciji parametara sustava
• IMC strukture primjer su struktura ciji je regulator zasnovan namatematickom modelu upravljanog procesa
• Specificni oblik IMC strukture – IMC struktura sa Smithovimprediktorom koristi se za upravljanje procesima s izraženimtransportnim kašnjenjem
• IMC strukture zahtijevaju tocan matematicki model procesa kojivjerno opisuje njegovo dinamicko vladanje
• Pitanje robusnosti SAU zasnovanih na matematickom modeluprocesa kljucan je problem
Automatsko upravljanje :: Predavanje 11 – Strukture sustava automatskog upravljanja - SAU c© 2010 Peric,Vukic,Baotic&Vašak 39 / 39