Post on 07-Feb-2018
Ingineria reglării
automate
Curs - anul IV
Specializarea:
Automatica si Informatica Industriala
Prof. dr. ing. Corneliu Lazar
1. Introducere
Inginerie
Inginer
Ingineria reglării automate
1.1 Motivaţia ingineriei reglării
Ingineria reglării automate → istorie de lunga durata
Antichitate: ceasul cu apa → Ktesibios i.Hr.
Evul mediu: controlul temperaturii → Cornelius Drebbel
(1572-1663)
Revoluţia industriala → motorul cu abur
- putere mare ce trebuie controlata
- “governor” → primul regulator → Watt (1788)
Războaiele mondiale
- sisteme de ghidare si urmărire
-teoria clasica a reglării: Bode, Nyquist, Nichols, Evans
Ceasul cu apa Governor
Ktesibios - i.Hr. James Watt - 1788
1.1 Motivaţia ingineriei reglării
Zborurile cosmice din anii ’60 – ’70
- sisteme de reglare moderne care apoi au fost
diseminate:
- producerea bunurilor de larg consum
- aplicaţii in medicina
- Teoria moderna a reglării (bazata pe stare):
Wiener, Kalman
1.1 Motivaţia ingineriei reglării
Sfârşitul secolului XX
- reglarea automata → element esenţial al societăţii moderne
- automatizarea clădirilor si a automobilelor
- sisteme complexe de conducere:
- procese chimice, aeronave, procese de producţie
- tehnologii “cutting edge”:
- utilaje → forte de mii de tone
- viteze foarte mari → ≥ 120 km/h
- tolerante de ordinul μm → industria aluminiului (5 μm)
- aplicaţii in afara industriei:
- sisteme biologice, reţele de comunicaţii, sisteme economice
1.1 Motivaţia ingineriei reglării
Ingineria reglării automate → proiectarea, implementarea si mentenanaţa sistemelor de reglare automata
Succesul reglării → utilizarea mai multor discipline
- modelarea: captarea caracteristicilor fizice si chimice ale proceselor
- măsurarea variabilelor din proces
- execuţia acţiunilor de reglare
- comunicaţii: transmisia datelor
- computing: realizarea unor taskuri complexe pe baza datelor măsurate pentru a acţiona asupra procesului
- interfaţarea: diferitele componente ale sistemului de regalare pot fi monitorizate in mod unitar
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare
Etape: modelare, proiectare, simulare, testare si implementare
Părţile componente ale proiectării:
1. Partea fixata – procesul reglat
2. Obiective
3. Senzori
4. Elemente de execuţie
5. Comunicaţii
6. Computing
7. Arhitecturi si interfaţare
8. Algoritmi de reglare
9. Perturbaţii si incertitudini
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare
1.2.1 Partea fixata
Caracterizarea fizica a procesului
Cunoştinţe elementare privind:
- balanţa energetica
- balanţa maselor
- circulaţia fluxurilor de materiale in sistem
- limitări fizice → specificarea performantelor
• Modelarea fizica a proceselor
Construire unui model al procesului → primul pas in proiectare
• Identificarea sistemelor
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare
1.2.2 Obiective
Formularea obiectivelor reglării
Scopul urmărit: - reducerea energiei consumate
- creşterea randamentului
Variabilele reglate pentru atingerea obiectivelor
Nivelul de performanta necesar: acurateţe, rapiditate
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare
1.2.3-4 Senzori - Elemente de execuţie (EE)
“Daca poţi măsura ceva, poţi controla acel lucru.”
Tehnologia senzorilor → îmbunătăţirea performantelor
Cum pot fi obţinute informaţii despre mărimi ce nu pot fi
măsurate
• Senzori si traductoare
Senzorul raportează despre starea procesului
EE → cum acţionează asupra procesului ca sa-l conduci
dintr-o stare in alta stare
Calitatea reglării ↔ EE
• Echipamente si structuri convenţionale de reglare
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare
1.2.5 Comunicaţii
Interconectarea senzorilor si a EE ↔ sistem de comunicaţii
Proces → sute de semnale ce trebuie transmise la distanta
Proiectarea sistemului de comunicaţii cu protocoalele asociate → calitatea reglării
Cerinţe speciale pentru sistemele de comunicaţii → tratarea întârzierilor
(nedeterministe)
• Transmisia datelor, Comunicaţii in sistemele de conducere
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare
1.2.6 Computing
Conexiunea dintre senzor si EE → via un echipament de calcul (computer)
Sistem de reglare automata (SRA): echipamente de calcul:
- DCS – Distributed Control Systems
- PLC – Programmable Logic Controllers
- PC – Personal Computer
Determinism in timp → sisteme de operare in timp real multi-tasking
Precizia numerica
CACE: medii de programare integrate →modelarea, proiectarea, simularea si implementarea SRA
• Programarea aplicaţiilor de timp real
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare
1.2.7 Arhitecturi si interfaţare
Reglarea centralizata → toate semnalele sunt aduse intr-un punct central
- complexitate, cost, restricţii de timp in calcule, întreţinere, fiabilitate
Reglarea distribuita → partiţionarea SRA in subsisteme
Interfaţarea cu diferite subcomponente
Interfeţe speciale pentru diferite componente → standardizarea interfeţelor
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare
1.2.7 Arhitecturi si interfaţare
nivel descriere scop timp proiectare
4 optimizare la nivel
de proces
comenzi client si
programarea
materialelor
zilnic optimizare
statica
3 optimizare
staţionara
(nivel subsistem)
funcţionarea
eficienta a unui
subsistem
la fiecare
ora
optimizare
statica
2 reglare la nivelul
operaţional
(nivel subsistem)
realizarea
referinţelor → 3
la fiecare
minut
reglare:
- MVa
- MBPC
1 reglare la nivelul
EE
realizarea mărimii
de execuţie → 2
la fiecare
secunda
reglare:
SISO (PID)
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare
1.2.8 Algoritmi de reglare
Algoritmi de reglare
→ “inima” ingineriei reglării
→ conectează senzorii cu EE
→ tema centrala a cursului:
Ingineria Reglării Automate - IRA
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare
1.2.9 Perturbaţii si incertitudini
SRA reale → zgomote si perturbaţii externe cu
impact asupra performantelor
Procese reale → modele complexe
IRA → modele relativ simple
Incertitudini → erori de modelare
1.3 Tehnici utilizate in proiectarea SRA
1.3.1 Date iniţiale
Caracteristicile procesului reglat
- date despre IT, EE si Tr (partea fixata - PF)
- model matematic
Performantele impuse
- de comportare: performante de regim
tranzitoriu si de regim staţionar
- obligatorii: stabilitatea si rezolvarea
problemei reglării
- de realizabilitate: limitări fizice existente → restricţii
Sisteme de reglare hibride
CAN- Regulator numeric- CNA“Regulator analogic (PID)”
fe mari
CAN- Proces- CNA“Proces discretizat”
fe mici 1/(5 50)
1.3 Tehnici utilizate in proiectarea SRA
1.3.2 Tehnici de proiectare
(i)
(ii)
P F
r ( t ) e ( t ) u ( k ) u ( t ) y ( t )
+
–
E c h ip a m e n t n u m e r i c
R N C A N C N A
e ( k )
R e g u la t o r
R P F
r e u y
n p
+
–
R e g u la to r P r o c e s
P F
r ( k ) u ( k ) u ( t )
+
–
P r o c e s d is c r e t iz a t
R N C N A
e ( k )
C A N
y ( t ) y ( k )
1.3 Tehnici utilizate in proiectarea SRA
1.3.2 Tehnici de proiectare
(i) Tehnici pentru proiectarea SRA liniare,
continue si monovariabile
1. Tehnici convenţionale:
- alocarea poli-zerouri
- metode frecvenţiale
2. Acordarea optima a regulatoarelor
3. SRA cu structura speciala
1.3 Tehnici utilizate in proiectarea SRA
1.3.2 Tehnici de proiectare
(ii) Tehnici pentru proiectarea sistemelor de
reglare numerica (SRN)
1. Formalismul matematic al sintezei sistemelor
continue → ipoteza de cvasicontinuitate →
algoritmul de reglare numerica prin discretizare
2. Formalismul matematic specific sistemelor numerice → transformări complexe (Ζ) → tehnici
de sinteza specifice sistemelor continue (alocare)
3. Formalismul matematic bazat pe ecuaţii cu
diferente finite → numai pentru SRN
1.3 Tehnici utilizate in proiectarea SRA
1.3.1 Tehnici de proiectare
Algoritmi de reglare numerica
1. Algoritmi obţinuţi prin discretizarea legilor de
reglare continue (PID)
2. Algoritmi obţinuţi prin proiectarea cu metoda
alocării
3. Algoritmi “dead – beat”
4. Algoritmi noninteractivi pentru SRN multivariabile
5. Algoritmi de reglare după stare
6. Algoritmi de reglare cu predicţie
Bibliografie
1. Lazar C., Vrabie D., Carari S. (2004). Sisteme automate cu regulatoare PID, Editura MATRIXROM, Bucureşti.
2. Lazăr C., O. Păstrăvanu, E. Poli, Fr. Sghonberger (1996). Conducerea asistata de calculator a proceselor tehnice – proiectarea si implementarea algoritmilor de reglare numerica. Editura MATRIXROM, Bucureşti.
3. Lazăr C. (1998). Ingineria reglării automate – proiectarea sistemelor de reglare automata liniare, continue si monovariabile. Rotaprint, U.T. Iaşi.
4. Lazăr C. (1995). Ingineria reglării automate – proiectarea sistemelor de reglare numerica. Rotaprint, U.T. Iasi.
5. Lazăr C. (1999). Conducerea predictiva a proceselor cu model cunoscut. Editura MATRIXROM, Bucureşti.
6. Dumitrache I. (2005), Ingineria reglarii automate. Editura Politehnica Press, Bucureşti.
7. Ionescu V. (1985). Teoria sistemelor liniare. Editura Didactica si Pedagogica, Bucureşti.
8. Tertisco M., D. Popescu, B. Jora, I. Russ (1991). Automatizări industriale continue. Editura Didactica si Pedagogica, Bucureşti
9. Goodwin C., G., S. F. Graebe, M. E. Salgado (2001). Control System Design. Prentice Hall, New Jersey
10. Grimble M. J. (2001). Idustrial Control Systems Design. Wiley,Chichester.