Industriell reglerteknik: Föreläsning 8
Transcription
Industriell reglerteknik: Föreläsning 8
1 / 16 Föreläsningar Industriell reglerteknik: Föreläsning 8 1 2 3 4 5 6 7 8• 9 10 11 12 Martin Enqvist Reglerteknik Institutionen för systemteknik Linköpings universitet Sekvensstyrning: Funktionsdiagram, Grafcet. Grundläggande reglerteori i diskret tid. Modellering. Design av regulatorer. Framkoppling från referenssignal. PID-regulatorn. PID-regulatorn. Implementering av regulatorer. Regulatorer i drift. Olinjära regulatorer. Regulatorstrukturer. Regulatorstrukturer. MPC: Grundprincip, problemformulering. MPC: Problemformulering, referensföljning, I-verkan. MPC: Stabilitet. Gästföreläsning. MPC: Tolkningar. Sammanfattning. 2 / 16 3 / 16 Repetition: Regulatorstrukturer Regulatorstrukturer (forts.) • Framkoppling från störning (Idé: Kompensera för störningar redan innan de har givit fel i utsignalen) • Kaskadreglering (Idé: Utnyttja en extra mätsignal i en inre, snabb reglerkrets) • Kvotreglering (Idé: Håll kvoten mellan två processvariabler konstant mha. reglering) • Mitthållningsreglering (Idé: Fördela regleruppgifterna så att ett snabbt och noggrant ställdon oftast ligger i mitten av sitt arbetsområde) 4 / 16 5 / 16 Mitthållningsreglering r + ru + Σ Σ − − F1 u1 G1 Σ F2 u2 Modellbaserad prediktionsreglering – MPC y G2 Kan användas när systemet har två olika insignaler och en utsignal. (Typiskt: u1 snabb men med begränsad kapacitet, u2 långsam men med större kapacitet) 6 / 16 MPC 7 / 16 Modell Tillståndsmodell av ett system (antag TS = 1): Modellbaserad prediktionsreglering (eng. model predictive control, MPC): • En avancerad reglerstrategi som fått stort genomslag i industrin under de senaste decennierna. • Idé: Utnyttja prediktionskraften i processmodellen och optimera styrsignalen online. • Kan ta hänsyn till bivillkor i det reglerade systemet (t.ex. begränsade styrsignaler, säkerhetsgränser). • Hanterar enkelt flera in- och utsignaler. • Intuitiv metod (⇒ enkel att förklara för operatörer). • Dock: Beräkningskrävande (och en modell krävs). x(k + 1) = F x(k) + Gu(k) y(k) = Cx(k) z(k) = M x(k) u1 (k) x1 (k) u(k) = ... x(k) = ... um (k) y1 (k) y(k) = ... yp (k) Här: C = I oftast xn (k) z1 (k) z(k) = ... zpz (k) 8 / 16 Linjärkvadratisk reglering Exempel: DC-motor Linjärkvadratisk reglering (LQR): Bestäm den styrsignal som löser minimeringsproblemet min u ∞ X k=0 9 / 16 Betrakta en DC-motor (t.ex. i en liten robotarm). Modell av motorn: kz(k)k2Q1 + ku(k)k2Q2 z(t) = 2 u(t) +p 5p2 där z(t) är motorns vinkelutslag och u(t) är spänningen över motorn. där Q1 ≥ 0 (positivt semidefinit) och Q2 > 0 (positivt definit) Antag att spänningen över motorn som mest kan vara 1 V (dvs. att |u| ≤ 1) och att samplingstiden är TS = 0.1 s. Notation: kxk2Q = xT Qx Resulterar i en optimal tillståndsåterkoppling: u(k) = −Lx(k) (MATLAB-lösning: L=dlqr(F,G,M’*Q1*M,Q2)) 10 / 16 Exempel: DC-motor. . . Exempel: DC-motor med LQR T Sampling (zoh) av en tillståndsmodell med x = z ż ger det tidsdiskreta systemet: 1 0.09901 0.001987 x(k + 1) = x(k) + u(k) 0 0.9802 0.0396 z(k) = 1 0 x(k) T Antag x(0) = 2 0.3 LQR: Lös minimeringsproblemet min u ∞ X k=0 där Q1 = 1 och Q2 = 0.001. 11 / 16 Den styrda signalen z(t) utan (blått) och med styrsignalmättning (rött): 2.5 2 1.5 1 0.5 0 kz(k)k2Q1 + ku(k)k2Q2 −0.5 −1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 / 16 Exempel: DC-motor med LQR. . . 13 / 16 Exempel: Slutsats Styrsignal utan (blått) och med styrsignalmättning (rött): Eftersom vi vet att |u(k)| ≤ 1 borde vi ha använt kriteriet 15 10 min |u|≤1 5 ∞ X k=0 kz(k)k2Q1 + ku(k)k2Q2 för att bestämma u. Svårt! (Oändligt många fria variabler, lösningen beror på x(0)) 0 −5 Approximativ lösning: MPC (ändlig tidshorisont) −10 −15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 14 / 16 Exempel: DC-motor med MPC 15 / 16 Exempel: DC-motor med MPC. . . Den styrda signalen z(t) med LQR utan styrsignalmättning (blått) och med MPC (rött): Styrsignal: 1 2.5 0.8 0.6 2 0.4 1.5 0.2 0 1 −0.2 −0.4 0.5 −0.6 0 −0.8 −1 −0.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 16 / 16 Sammanfattning Regulatorstrukturer • (Framkoppling från störning, kaskadreglering, kvotreglering, mitthållningsreglering) • Split-range control • Det finns ofta flera tänkbara regulatorstrukturer för ett givet problem Modellbaserad prediktionsreglering (MPC): • Avancerad reglerstrategi med stor industriell relevans • Idé: Ta fram en optimal (ändlig) styrsignalsekvens genom att prediktera systemets beteende. Använd första styrsignalelementet och gör om optimeringen i nästa sampelintervall. www.liu.se