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.