הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering מבוא לבקרה )(034040 תרגול מס' – 14כיוונון בקרי ,PIDבקר עם שתי דרגות חופש – פתרון בקרי PIDהינם בקרים מהצורה kd s k CPID ( s ) = k p 1 + i + s 1 + kd s N כאשר מטרת הפרמטר Nהיא לאפשר מימוש לרכיב הגזירה ומקובל לבחור אותו בין 3ל .20באנליזה ,לשם נוחות, לוקחים ∞ → . Nקיימת שיטה על שם זיגלר וניקולס לכוונון הפרמטרים של הבקר ki , k p ,ו . kd שיטת הרגישות הגבולית: משתמשים בשיטה עבור תהליכים ללא קטבים ב ,ORHPרצוי על מרוסנים ,כאשר ניתן להביא את המערכת לסף יציבות עם שני קטבים מדומים )אך רצוי ללא יציבות מותנית( .שלבים עבור תהליך נתון: .1סוגרים את החוג עם בקר פרופורציונאלי ומחשבים את ההגבר הקריטי Kuואת מחזור התנודות הקריטיות . Tu .2מחשבים את פרמטרי הבקר מתוך הטבלה הבאה: 1 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering שאלה 1 נתון התהליך 10 ) ( s + 3) ( s 2 + 2s + 10 = ) . P ( sדרוש לבקר את התהליך בחוג סגור כך ששגיאות מצב מתמיד לכניסות מדרגה באות הייחוס ובאות ההפרעה תתאפסנה. א .תכננו בקר PIובקר PIDבשיטת של זיגלר – ניקולס .חשבו את עודפי היציבות עבור שני הבקרים וציירו את תגובות החוג הסגור לכניסות מדרגה באות הייחוס ובהפרעה. פתרון שאלה 1סעיף א' ראשית נבדוק האם ניתן להשתמש בשיטת הרגישות הגבולית. צריך שהחוג שייסגר עם התהליך הנתון ובקר פרופורציונאלי יהיה בעל תחום יציבות סופי .נסמן על הבודה של התהליך את מידת קרבת החוג לאי יציבות. Gm = 14 dB (at 4 rad/s) , Pm = Inf 0 -20 -60 )Magnitude (dB -40 -80 -100 0 P -180 )Phase (deg -90 -270 2 10 0 1 10 -1 10 10 איור :1עקום בודה של התהליך בשאלה 1 הערה :עודפי היציבות המסומנים בבודה הם עבור הגברי בקר חיוביים .לתהליך הנתון יש תחום יציבות גם עבור הגברים שליליים ,אך בסף יציבות מתקבל קוטב בודד בראשית ,לכן לא נקבל תנודות קריטיות ,אז נשאר עם Kחיובי. למערכת אמנם עודף פאזה אינסופי )כי הגבר התהליך קטן מ 1בכל תדר( ,אך עודף ההגבר של המערכת סופי ,ולכן יש תחום סופי של בקרי הגבר Kעבורם החוג הסגור יציב .ההגבר הקריטי כמובן שווה לעודף ההגבר של התהליך. Ku = 5 2 ⇒ µ g = 14[dB ] ≈ 5 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering עם הגבר זה לחוג הסגור יהיה קוטב יציב אחד ושני קטבים על הציר המדומה בנקודות ± jω p = ±4 jולחוג הסגור, במצב מתמיד ,תנודות קריטיות בתדר זה .כלומר ,תדר התנודות הקריטיות הוא ] ωu = ωφ = 4[r sוזמן המחזור שלהן 2π הוא ]⇒ Tu = 1.571[sec 4 = 2π ωu = . Tu נחשב את הפרמטרים של הבקרים PIו PIDמתוך הטבלה. k p = 0.6 Ku = 0.6 ⋅ 5 = 3 2 2 = ki = = 1.273 PID : Tu 1.571 kd = Tu = 1.571 = 0.196 8 8 k p = 0.45Ku = 0.45 ⋅ 5 = 2.25 PI : 1.2 1.2 ki = T = 1.571 = 0.764 u הבקרים המתקבלים עבור התהליך הנתון ,הינם: k 1.273 CPID ( s ) = k p 1 + i + kd s = 3 1 + + 0.196s s s k 0.764 CPI ( s ) = k p 1 + i = 2.25 1 + s s 50 -50 )Magnitude (dB 0 -100 -45 L=CpiP -90 L=CpidP -180 )Phase (deg -135 -225 -270 1 2 10 0 10 -1 10 -2 10 10 איור :2עקומי בודה של החוג הפתוח עם הבקרים בשאלה 1 נחשב את עודפי היציבות של החוג בשני המקרים .עבור בקר ,PIמהבודה מקבלים: ) ]= 0.92[ r s (ω c ; µ ph = 112° 3 ) ]= 3.72[ r s (ω φ ]CPI ( s ) : µ g = 4.82[dB הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering עבור בקר ,PIDמהבודה מקבלים: ) ]= 3.38[ r s (ω c ; µ ph = 45.7° ) ]= 14.1[ r s (ω φ ] CPID ( s ) : µ g = 30.1[ dB הערה :1בפועל בקר ה PIDימומש כסיבתי ,לכן גם הפאזה שלו תתכנס ל −270°ועודפי היציבות יהיו קטנים יותר. נצייר את תגובות המדרגה של החוג הסגור לכניסת מדרגה באות הייחוס ובהפרעה עבור שני הבקרים. 0.3 1.4 PI PI PID PID 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1.2 0.25 1 0.2 0.8 0.15 0.6 0.1 0.4 0.05 0.2 0 0 18 16 14 12 10 6 8 4 2 0 -0.05 איור :3מע' בשאלה .1ימין – תגובת מדרגה באות הייחוס ,שמאל – תגובת מדרגה בהפרעה רואים כי בשני המקרים קיבלנו תגובות תנודתיות ,אך עבור בקר PIDהביצועים מעט טובים יותר :מקבלים תגובה מהירה יותר לכניסה באות הייחוס ) ωcגדול יותר( ותגובת יתר נמוכה יותר בתגובה להפרעה. ב .תכננו למערכת בקר עם שתי דרגות חופש כך שבנוסף הדרישות בסעיף א' הבקר ימזער את התנודות בתגובת החוג הסגור לכניסת מדרגה באות הייחוס .בחרו את הבקר בתוך החוג להיות אחד הבקרים שתכננתם בסעיף א'. פתרון שאלה 1סעיף ב' נבחר את הבקר בתוך החוג להיות CPIDכי הוא נתן ביצועים טובים יותר .חוג הבקרה עם שתי דרגות חופש יראה כך: d y )P ( s )C ( s u − )K ( s איור :4חוג בקרה עם שתי דרגות חופש בשאלה 1 4 r הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering המפצה המקדים ) K ( sאינו משפיע על תגובת החוג להפרעה )בשביל זה יש את ) ( C ( sאך הוא כן משפיע על תגובת החוג לאות הייחוס .ניתן לבטל את תנודת התגובה לאות הייחוס בשני אופנים. דרך אחת – צמצום הקטבים המרוכבים. נרשום את תמסורת החוג הסגור . y r )C (s) P (s ) 5.88 ( s + 2.664 )( s + 2.438 y )= K (s )(s) = K (s r )1+ C ( s) P ( s ( s + 2.974 )( s + 0.865) s 2 + 1.161s + 14.85 ( ) p =−0.581±3.81i למערכת בחוג סגור יש שני קטבים מרוכבים שיוצרים את התנודות .נבחר את המפצה המקדים באופן הבא: 14.85 ⋅ 0.865 = 1 → k = 5.056 2.664 ⋅ 2.438 ⋅10 ; k ) ) + 1.161s + 14.85 ( s + 0.865 2 (s K (s) = k ) ( s + 2.664 )( s + 2.438)( s + 10 y 29.73 = )(s r ) ( s + 2.974 )( s + 10 ⇒ ביטלנו את הקטבים התונדים של y rאך על הדרך ,כדי ש ) K ( sיהיה ,properצמצמנו את אפסי התהליך וגם צמצמנו קוטב איטי ב -0.865ובמקומו הכנסנו קוטב מהיר ב .-10לא נשכח לשמור על הגבר סטטי 1של החוג הסגור. דרך שנייה – תכנון פילטר שיסנן אות בתדר התנודה הלא רצויה. ללא ) , K ( sהתמסורת y rמהווה מסנן שמעביר היטב את התדר שבו תונדת תגובת המדרגה .ניתן למצוא תדר זה מגרף תגובת המדרגה )איור 3ימין( .נחשב את זמן מחזור התנודות על ידי חישוב מרחק בין שני פיקים. 2π ] = 3.7[r s T =→ ω ]T ≈ 3.9 − 2.2 = 1.7[sec נצייר עקום בודה של ) y rאיור 5א'( .הפיק קורה בדיוק בתדר שחישבנו )כצפוי( .נתכנן את ) K ( sשיבצע הנחתה טובה בתדר זה .על מנת לבטל את התדר הנ"ל ניתן לתכנן מסנן בורר .Notch Filter ,למסנן בורר אידיאלי יש אנטי- פיק אינסופי בתדר הרצוי ,ועל ידי כך הוא מנחית את התדר לחלוטין .אנו נתכנן מסנן בורר עם אנטי-פיק סופי ,כאשר את רוחב האנטי-פיק )הפרמטר (βנקבע בניסוי וטעיה .המסנן שנבחר הוא , β = 1.1 5 s 2 + β s + 3.7 2 ( s + 3.7 )2 = )K (s הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering 10 0 Gyr Kfilter -10 K*Gyr -30 -40 )Magnitude (dB -20 -50 -60 2 10 1 10 0 -1 10 10 -70 -2 10 איור 5א' :עקום בודה )הגבר( של החוג הסגור y rללא מסנן ) K ( sועם ) K ( sכמסנן בורר ניתן לראות שביטלנו את הפיק ,אך יצא שהקטנו את רוחב הסרט של החוג הסגור .נתבונן כעת בעקום בודה של החוג הסגור עם המפצה המקדים שתכננו בשיטת ביטול קטבים )איור 5ב'( .אמנם התכנון היה משיקולי צמצום קטבים ואפסים בלבד ,במישור התדר יצא שביטלנו את הפיק ואף הגדלנו מעט את רוחב הסרט של החוג הסגור. 20 10 0 Gyr -10 K*Gyr -20 -30 )Magnitude (dB Kpoles -40 -50 -60 2 10 1 10 -1 0 10 10 -70 -2 10 איור 5ב' :עקום בודה )הגבר( של החוג הסגור y rללא מסנן ) K ( sועם ) K ( sכמסנן מבטל קטבים נראה את תגובת החוג הסגור למדרגה באות הייחוס עם המפצים המקדימים שתכננו .התגובה עם המסנן-בורר יותר איטית מהתגובה עם מסנן מבטל קטבים .בשני המקרים התנודות בוטלו לחלוטין. 6 הפקולטה להנדסת מכונות,הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering 1.4 no K Kpoles 1.2 Kfilter 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 תגובות מדרגה של החוג הסגור עם מפצים מקדימים שונים:6 איור 2 שאלה . P= 0.1⋅ e−1.5s s( s 2 + 0.05s + 1) :נתון התהליך . בשיטת הרגישות הגבוליתPID תכננו בקר 2 פתרון שאלה :נסתכל על עקום בודה ועקום פולארי של התהליך P 2 1.5 System: P Phase Margin (deg): -18.8 Delay Margin (sec): -0.344 At frequency (rad/s): 0.952 Closed loop stable? Yes 1 0.5 0 -0.5 System: P Gain Margin (dB): 5.11 At frequency (rad/s): 0.897 Closed loop stable? Yes -1 -1.5 -2 -1.5 -1 -0.5 7 0 0.5 1 1.5 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering )Gm = 5.11 dB (at 0.897 rad/s) , Pm = -18.8 deg (at 0.952 rad/s 20 -20 -40 -60 )Magnitude (dB 0 -80 0 )Phase (deg -360 -720 P 1 10 -1080 -1 10 0 10 )Frequency (rad/s ניתן לראות שאם נסגור את החוג עם בקר פרופורציונאלי ,יהיה קיים הגבר שמביא את החוג לאי יציבות עם קטבים מדומים .זהו עודף ההגבר המינימאלי של המערכת .נחלץ את הפרמטרים הדרושים לכוונון בעזרת זיגלר-ניקולס. 2π =7 0.897 = 2π ωφ = Tu , Ku = µg = 5.11dB = 1.801 קבועי הבקר )על פי כיוונון פסן( הם: 2.5 T , kd = u Tu 6.7 = k p = 0.7Ku , ki נציב בנוסחה לבקר :PID k 0.357 C = k p 1 + i + kd s = 1.26 1 + + 1.045s s s נסתכל על דיאגרמת ניקוויסט של החוג הפתוח 8 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering ניתן לראות כי החוג הסגור אינו יציב .תגובת החוג הסגור למדרגה עם הבקר שהתקבל: 80 60 40 20 0 −20 −40 200 180 160 140 120 100 )Time (sec 80 60 40 20 0 −60 כאמור ,הבקר שהתקבל מוציא את החוג הסגור מיציבות .שיטת זיגלר-ניקולס אינה מתאימה לכל סוגי התהליכים. 9
© Copyright 2024