Ingineria reglării automate

1. Ingineria reglării automate Curs - anul IV Specializarea: Automatica si Informatica Aplicata Prof. dr. ing. Corneliu Lazar

2. 1. Introducere • Inginerie • Inginer • Ingineria reglării automate

3. 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

4. Ceasul cu apa Governor Ktesibios - i.Hr. James Watt - 1788

5. 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

6. 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

7. 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

8. 1.2 Proiectarea sistemelor de reglare • Etape: modelare, proiectare, simulare, testare si implementare • Părţile componente ale proiectării: • Partea fixata – procesul reglat • Obiective • Senzori • Elemente de execuţie • Comunicaţii • Computing • Arhitecturi si interfaţare • Algoritmi de reglare • Perturbaţii si incertitudini

9. 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 sistemelor fizice • Construire unui model al procesului → primul pas in proiectare •Identificarea sistemelor

10. 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

11. 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 • Masurari si instrumentatie; 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 de reglare automata

12. 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

13. 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

14. 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

15. 1.2 Proiectarea sistemelor de reglare 1.2.7 Arhitecturi si interfaţare

16. 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

17. 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

18. 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

19. 1.3 Tehnici utilizate in proiectarea SRA 1.3.2 Tehnici de proiectare Sisteme de reglare hibride CAN- Regulator numeric-CNA “Regulator analogic (PID)” femari (i) CAN-Proces- CNA “Proces discretizat” fe mici 1/(5÷50) (ii)

20. 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

21. 1.3 Tehnici utilizate in proiectarea SRA 1.3.2 Tehnici de proiectare • (ii) Tehnici pentru proiectarea sistemelor de reglare numerica (SRN) • Formalismul matematic al sintezei sistemelor continue → ipoteza de cvasicontinuitate → algoritmul de reglare numerica prin discretizare • Formalismul matematic specific sistemelor numerice → transformări complexe (Ζ) → tehnici de sinteza specifice sistemelor continue (alocare) • Formalismul matematic bazat pe ecuaţii cu diferente finite → numai pentru SRN

22. 1.3 Tehnici utilizate in proiectarea SRA 1.3.1 Tehnici de proiectare • Algoritmi de reglare numerica • Algoritmi obţinuţi prin discretizarea legilor de reglare continue (PID) • Algoritmi obţinuţi prin proiectarea cu metoda alocării • Algoritmi “dead – beat” • Algoritmi noninteractivi pentru SRN multivariabile • Algoritmi de reglare după stare • Algoritmi de reglare cu predicţie

23. Bibliografie • Lazar C., Vrabie D., Carari S. (2004). Sisteme automate cu regulatoare PID, Editura MATRIXROM, Bucureşti. • 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. • Lazăr C. (1999). Conducerea predictiva a proceselor cu model cunoscut. Editura MATRIXROM, Bucureşti. • Dumitrache I. (2005), Ingineria reglarii automate. Editura Politehnica Press, Bucureşti. • Ionescu V. (1985). Teoria sistemelor liniare. Editura Didactica si Pedagogica, Bucureşti. • Tertisco M., D. Popescu, B. Jora, I. Russ (1991). Automatizări industriale continue. Editura Didactica si Pedagogica, Bucureşti • Goodwin C., G., S. F. Graebe, M. E. Salgado (2001). Control System Design. Prentice Hall, New Jersey • Grimble M. J. (2001). Idustrial Control Systems Design. Wiley,Chichester.