TSIU61: ReglerteknikForelasning 1— Kursinformation— Bakgrund

Gustaf Hendeby

gustaf.hendeby@liu.se

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 1 / 34

Vad ar reglerteknik?

”Reglerteknik ar konstenatt fa saker att uppfora sig

som man vill”

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 2 / 34

Exempel pa reglerproblem

Industrirobot

En robotarm ar relativt vek, och oscillerar kraftigt efter forflyttningar.For att uppna den snabbhet och precision som behovs kravsreglerteknik.

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 3 / 34

Exempel pa reglerproblem

Fartreglering, undvik kollision

Avstand/hastighetUndvika kollision

Dosering av insulin

Tillflode av insulin, matningar avblodsockernivan

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 4 / 34

Exempel pa reglerproblem

Moderna stridsflygplan

� Ibland medvetet designade sa att de inte gar att flygamanuellt (for att fa battre prestanda och flygegenskaper).

� Kraver ett reglersystem

� Om reglersystemet har designfel kan det ga illa och det arprecis detta som var orsaken till krascherna ’89 och ’93.

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 5 / 34

Exempel pa reglerproblem

Segway

Ett mycket bra exempel pa en product dar hela iden bygger pa attman har en regulator.

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 6 / 34

Exempel pa reglerproblem

HarddiskarLasarmen maste placeras pa exaktratt plats sa snabbt som mojligt

⇒ positionsreglering,

samtidigt som skivan roterar medratt hastighet

⇒ varvtalsreglering,

Utan reglering svanger armen vidforflyttningar och man mastevanta lange tills armen ar stillainnan man kan kan lasa data.

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 7 / 34

Exempel pa reglerproblem

Automiserad nakrosEtt reglersystem ersatter/hjalpernarkosskoterskan (fortfarande iforskningsstadie)Systemet reglerar medvetandegraden.

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 8 / 34

Exempel pa reglerproblem

Moderna bilar

De flesta forkortningarna i forsaljningsbrochyren doljer ettreglersystem!

ABS Anti-lock Braking System, regleringav bromstryck

ESC Electronic Stability Control, regleringav girstabilitet

ACE Active Cornering Enhancement,reglering av stotdampare i kurvor

TCS Traction Control System, regleringav vagfaste

ACC Automatic Cruise Control, regleringav fart/avstand

ANC Active Noise Control, reglering avljud

. . .

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 9 / 34

Exempel pa reglerproblem

Extremt stora teleskopVi har natt gransen for hur stora speglarna kangoras.Stora teleskop byggs med massvis av smaspeglar som sedan kontinuerligt styrs sa attbilden blir skarp (kallas adaptiv optik).

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 10 / 34

Exempel pa reglerproblem

Mobiltelefoni

Reglerteknik anvands for att reglera signalstyrkan i kommunikationenmellan mobiltelefon och basstation.

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 11 / 34

Innehall forelasning 1

1. Inledning

2. Administrativt om kursen

3. Vad ar reglerteknik?

4. Matematiska modeller med differentialekvationer

5. Enkaste aterkopplingen: P-regulator

Om kursen

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 13 / 34

Kursens syfte

� Visa principerna i de vanligaste reglersystemen

� Lara ut

� konstruktion och� utvardering

av regulatorer for lineara system med en insignal och enutsignal.

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 14 / 34

Metoder

Konstruktion och utvardering innebar att vi behover en kvantitativmatematisk beskrivning (modell) av processen.For detta kommer vi anvanda:

� Differentialekvationer

� Laplacetransformer

Ovrig matematik som kommer att anvandas:

� Komplexa tal

� Linear algebra (matrisrakning)

� Egenvarden

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 15 / 34

Praktiskt om kursen

� Examinator och forelasare: Gustaf Hendeby

� 12 forelasningar (teori, exempel)

� 15 lektioner (varav 2 i datorsal) (rakna och diskutera, fraga)

� 2 laborationer (lab-PM finns pa hemsidan)

1. Modellering (laboteket), lek och lar2. Reglerdesign mha PID (laboteket), lek och lar

Nya labbar, ersatter tidigare vattentankar.

� Anmalningar till laborationen gors via natet, se lank pakurshemsidan.

Tips:

Borja i god tid med forberedelseuppgifterna!

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 16 / 34

Mer praktiskt om kursen

� All kursinformation inkl. forelasningsmaterial finns pa kursenshemsida

� Reglertekniks hemsida:http://www.control.liu.se

⇒ Courses⇒ EL-, KA- och MI-programmen⇒ Reglerteknik

� Eller direkt:http://www.control.isy.liu.se/student/tsiu61/

� Tenta: Bok med normala anteckningar ar tillatet hjalpmedel

� Stall fragor!

Reglerteknik

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 18 / 34

Reglerteknik

� Forbattrar existerande tekniska system

� Centralt omrade for manga av Sveriges teknikforetag

� Tacksamt omrade med manga roliga tillampningar!

� Mycket intressant matematik

Hidden Science

Sammanfattningsvis kan sagas att reglerteknik finns nastan overallt,men ar ofta dold (”the hidden science”).

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 19 / 34

Reglerproblemet — abstraktion

Vad ar gemensamt for samtliga problem?

Reglerproblemet

� Valj styrsignalen u automatiskt

� sa att matsignalen y fran systemet S

� uppfor sig som vi vill

� trots storningar v.

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 20 / 34

Strategier for att losa reglerproblemet (1/3)

1. Oppen styrning

Problem med oppen styrning:

� Forutsatter fullstandig kunskap om systemets funktion

� Tar inte hansyn till storningar

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 21 / 34

Strategier for att losa reglerproblemet (2/3)

2. Framkoppling fran storsignal

Problem med framkoppling:

� Forutsatter fullstandig kunskap om systemets funktion, speciellthur storningarna fungerar.

� Det finns fler, icke matbara storningar, som paverkar y.

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 22 / 34

Strategier for att losa reglerproblemet (3/3)3. Aterkoppling:

Fordelar med aterkoppling:

� Behover INTE exakt kunskap om systemet

� Tar hansyn till storningar pa utsignalen (aven icke matbara)

� Instabila system kan stabiliseras

Nackdel med aterkoppling:

� Kan leda till instabilitet

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 23 / 34

Ett exempel (1/2)

Reglermal:

Stabilisera bilens kursvinkelhastighet (eng: yaw rate control)

Standardmanover, dubbelt filbyte i 100 km/h. Regulatorn paverkar framhjulens

vinkel (aktiv styrning).

Utan regulator Med regulator

Filmerna med tillstand fran ZF Lenksysteme

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 23 / 34

Ett exempel (1/2)

Reglermal:

Stabilisera bilens kursvinkelhastighet (eng: yaw rate control)

Standardmanover, dubbelt filbyte i 100 km/h. Regulatorn paverkar framhjulens

vinkel (aktiv styrning).

Utan regulator Med regulator

Filmerna med tillstand fran ZF Lenksysteme

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 23 / 34

Ett exempel (1/2)

Reglermal:

Stabilisera bilens kursvinkelhastighet (eng: yaw rate control)

Standardmanover, dubbelt filbyte i 100 km/h. Regulatorn paverkar framhjulens

vinkel (aktiv styrning).

Utan regulator Med regulator

Filmerna med tillstand fran ZF Lenksysteme

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 24 / 34

Ett exempel (2/2)

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 25 / 34

Design av farthallare

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 25 / 34

Design av farthallare

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 25 / 34

Design av farthallare

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 25 / 34

Design av farthallare

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 25 / 34

Design av farthallare

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 26 / 34

Design av farthallare

u(t) Drivande/bromsande kraft genererad av motor ochbroms [N]

y(t) Bilens hastighet [m/s]

φ Vagbanans lutning [rad]

m Bilens vikt [kg]

α Luftmotstandskoefficient [Ns/m], luftmotstand = αy(t)[N]

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 27 / 34

Design av farthallare

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 27 / 34

Design av farthallare

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 27 / 34

Design av farthallare

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 28 / 34

Vad ar en regulator — egentligen?

Regulatorn ar en dator i bilen, som mater hastighet och onskad fart,och skickar styrsignaler (onskat moment) till motorn

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 29 / 34

Narkosreglering

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 30 / 34

Sveriges ekonomi

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 31 / 34

Vilka ar svarigheterna med reglerteknik?

� Det finns storningar pa systemet, sasom t ex andringar itemperatur, floden, backlutning, vind, som vi inte har kontrollover.

� Systemet ar aldrig helt kant. Kemiska och biologiska forlopp arkomplicerade.

� Stabilitet

� Prestandakrav

Sammanfattning

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 33 / 34

Sammanfattning

Sammanfattning av dagens forelasning

� Reglerteknik finns nastan overallt

� Vi anvander differentialekvationer for att skapa modeller oversystem

� Oppen styrning valdigt kansligt for modellparametrar ochstorningar

� Aterkoppling kan reducera kansligheten markant

� Aterkoppling u(t) = K(r(t)− y(t)

)kallas P-reglering

� Vi har fortfarande inte perfekt reglering, battre regulator designkravs!

TSIU61 Forelasning 1 Gustaf Hendeby HT1 2017 34 / 34

Nagra begrepp som far summera forelasning 1

Reglerteknik: ”Konsten att fa system att uppfora sig som vi vill”.

Signaler: Funktioner av tiden som innehaller information.

System: Ett objekt som drivs av insignaler och som respons padessa producerar utsignaler.

Aterkoppling: For tillbaka information om det som hant.Reglerteknik ar laran om aterkopplade system.

P-reglering: Enklaste regulatorn, dar styrsignalen ar enproportionell forstarkning av reglerfelet.

Gustaf Hendebygustaf.hendeby@liu.se

www.liu.se