Automaatjuhtimissüsteemid ISS0021 2- 2 - 0 E 6 EAP 1.loeng - sügissemester 2014/2015

1. AutomaatjuhtimissüsteemidISS0021 2-2-0E 6 EAP1.loeng - sügissemester 2014/2015 Ennu Rüstern ennu.rustern@ttu.ee, TTÜ U02-316, tel. 6202104 TTÜ automaatikainstituut Automaatjuhtimise ja süsteemianalüüsi õppetool

2. Automaatjuhtimissüsteemide kursus (1) • Mida õpime ? • Milleks see kõik on vajalik ja/või kasulik ? • Kuidas õpime ?

3. Automaatjuhtimissüsteemidekursus (2) Automaatjuhtimise põhimõisted: • JUHTIMINE – tegevus teatava eesmärgi saavutamiseks • JUHITAV SÜSTEEM, PPOTSESS (tavaliselt tehismaailmaga seonduvad süsteemid ja protessid) • AUTOMAATJUHTIMINE – juhtimine (ja /või jälgimine ) inimese vahetu osavõtuta (st arvutiga juhtimine)

4. Automaatjuhtimissüsteemide kursus (3) Automaatjuhtimise rakendamine: • SÜSTEEMIDE / PROTSESSIDE MODELLEERIMINE – mudelid (olekumudelid, ülekandemudelid) • SÜSTEEMIDE / PROTSESSIDE JUHTIMINE ja /või JÄLGIMINE – meetodid, algoritmid, automaatjuhtimissüsteemid (AJS)

5. Süsteemid, protsessid Sisend (mingi ressurss), tegevus (teisendus), väljund (tulemus) Juhtimissüsteem Sisend Väljund Üldistustaset vähendades võib süsteemi vaadelda koosnevana kahest osast: “Protsess” ja “Juhtseade”. Sellise lähenemise puhul täidab protsess teisendamise ülesannet (n-ö teeb tööd) ja juhtseade (controller) juhib ning korraldab protsessi talitlust nii, et ta edukalt (soovitud viisil) töötaks. Ilma juhtseadmeta võib iga omapead jäetud protsess käituda mitte päris nii, nagu me tahaksime. Protsess (objekt) Juhttoime Informatsioon Nende kahe ploki omavaheliste seoste alusel võib teha järelduse, et side on kahepoolne. Juhtseade vajab mingit teavet protsessi oleku kohta, et otsustada, milliseid käske anda. Protsess peab neid käske (juhttoimet) vastu võtma, et õigesti talitleda. Mõlemas suunas edastatakse sisuliselt informatsiooni. Seega tegeleb juhtseade samuti teisendamisega ja omab sisendit ning väljundit analoogselt suvalisele protsessile. Juhtseade Sisend Suvalist süsteemi võib vaadelda kõige suurema üldistustaseme puhul kastina, millel on sisend ja väljund. Sisendsuurus (mingi ressurss) siseneb süsteemi ja väljub väljundi kaudu kui tulemus. Üldjuhul püüab süsteem oma sisendsuurusi mingil moel muuta (teisendada), st midagi teha. Sellele põhimõttele vastab peaaegu iga süsteem, mida me oskame ette kujutada. Paljudel juhtudel on eesmärgiks millegi parandamine (aga ka võimaliku halvenemise vältimine). Ebaõnnestumise korral võib resultaat osutuda mittesobivaks. Süsteemil, mis midagi ei tee, pole otstarvet. Väljund -mõõdetav suurus süsteemiväline informatsioon, mis kirjeldab, kuidas süsteem/protsess peab töötama.

6. Dünaamilise süsteemi mudel - diferentsiaalvõrrand n - järku üldkuju: t - sõltumatu muutuja, aeg y(t) - väljundmuutuja u(t) - sisendmuutuja a0,a1, … ,an ,b0,b1, … ,bm - koefitsiendid (m n) lihtsamalt tähistades (ja kui an=1)

7. U r + e Y Täitur- seade Juht- seade Reguleeriv- organ Protsess - seadesuuruse etteandmine salvestav indikaator Muundur Andur muundur xC funktsionaalne muundur regulaator xT xV andur xE xIR Hx xN täituriga klapp y - mõõdetav suurus PROTSESS juhitav voog u AJS näide

8. PROGRAMMEERITAV KONTROLLER Programmable Logic Controller (PLC)

9. Automaatjuhtimissüsteemide kursus (4) Automaatjuhtimissüsteemide tüüpilised esindajad: seiresüsteemid (õhu, mere, liikluse); turvasüsteemid; lendude juhtimissüsteemid lennujaamades; lennukite autopiloodid; tehnoloogiliste masinate/ protsesside juhtimissüsteemid; mobiiltelefonid; südamestimulaatorid; jälgimissüsteemid meditsiinis; arukad hooned jne

10. Automaatjuhtimissüsteemide kursus (5) • Orienteeruv sisukord • Sissejuhatus. Automaatjuhtimise põhiprobleemid, põhiülesanded ja automaatjuhtimissüsteemide (AJS) ülesehitus. Süsteemiteooria põhimõisted • AJS matemaatiline kirjeldamine. Analüüs. Juhtimisprotsesside kvaliteet. AJS projekteerimine • Modaaljuhtimine • Optimaaljuhtimine • Järgivsüsteemid • Häiringud automaatjuhtimissüsteemides, nende filtreerimine ja kompenseerimine

11. 7. Reaalsete juhtimisprobleemide analüüs ja AJS projekteerimine – vähemalt 2 näiteülesande lahendamine koos aruteluga 8. Adaptiivjuhtimine – isehäälestuvad süsteemid 9. Automaatjuhtimissüsteemide võimalikud arengud. Kokkuvõte kursusest

12. Kuidas õppetöö toimub? Millised on tingimused ? • Õppetöö: • Loengud – kokku 32 tundi, õppejõud: Ennu Rüstern • Praktikumid – kokku 32 tundi, õppejõud: Andres Rähni, Eduard Petlenkov; 24 üliõpilast korraga (TTÜ automaatikainstituut, ruumid U02-303, 304) • Automaatjuhtimissüsteemide eeldusaineks on - ISS0010 Süsteemiteooria • Õppeaine tuleb deklareerida Ennu Rüsterni nimele !!! • Rakendustarkvara: • - MATLAB / SIMULINK modelleerimiskeskkond

13. Kokkulepped (1) – 2014/2015 õppeaasta sügissemestri 1.loengul • 2 kontrolltööd (teooria) – annavad kokku 40% semestrihindest • 4 laboratoorset tööd (praktikumid)– annavad kokku 60% semestrihindest • Kontrolltööd ja praktikumid peavad üldjuhul olema sooritatud 20.detsembriks 2014 (sügissemestri kontaktõppe perioodi lõpuks) • Semestrihindeid 5,4, 3 ja 2 võib üliõpilane võtta eksamihindeks

14. Kokkulepped (2) – 2014/2015 õppeaasta sügissemestri 1.loengul • Semestrihinde 1 puhul on eksam kohustuslik • Eksamieeldus – semestrihinne 1 • Semestrihinnet on soovi korral võimalik parandada eksamil • Eksam on kirjalik – 2 küsimust teooriast (peast) ja 2 ülesannet (materjalide kasutamisega), aega 3 tundi • Eksami ebaõnnestumisel jääb kehtima semestrihinne

15. Õpikud ja õppematerjalid • Õpikuid on tegelikult väga palju – kahjuks piisavalt mahukad ja sisaldavad palju matemaatikat • Õppejõud toob valikuliselt materjale loengusse ja paneb veebi • Metoodika • – MATLAB /SIMULINK keskkonna igakülgsel kasutamisel põhineb kursus

16. Õpikud (1) 1.Dutton, K., Thompson, S. and Barraclough, B.The art of control engineering. Harlow : Addison Wesley, 1997. p. 813. 2. Ogata, K.Modern Control Engineering. 4th. Englewood Cliffs (N.J.) : Prentice Hall, 2002. lk 961. 3. Tewari, A.Modern control design with MATLAB and SIMULINK. New York : Wiley, 2002 (TTÜ RK e-raamatuna). 4. Nise, N. S.Control systems engineering. IV. int. : Wiley, 2004. lk 985.

17. Õpikud (2) 5. Franklin, G. F., Powell, J. D. ja Emami-Naeini, A.Feedback control of dynamic systems. 3rd. Reading : Addison-Wesley, 1994. lk 778. ( V redaktsioon ilmus 2006). 6. Datta, B.N.Numerical methods for linear control systems design and analysis. [(e-raamat) www.knovel.com ] Amsterdam : Elsevier, 2004. 7. D'Azzo, J. J., Houpis, C. H. ja Sheldon, S. N.Linear control system analysis and design with MATLAB. [(e-raamat) www.crcnetbase.com] V Revised and expanded, New York : Marcel Dekker, 2003. a.

18. Õpikud (3) 8. Aström, K. J. ja Wittenmark, B.Computer Controlled Systems: Theory and Design. 3rd. Upper Saddle River (N.J.) : Prentice Hall, 1997. lk 557. 9. Åström, K. J. ja Hägglund, T.Advanced PID control. Research Triangle Park : ISA-The Instrumentation, Systems and Automation Society, 2006. lk 460. NB! E-raamatute andmebaasid: www.knovel.comja www.crcnetbase.com .

19. Automaatjuhtimissüsteemide(AJS) liigitus (1) Häiring 1 Häiring 2 Häiring 3 Sisend u y Väljund Juhtseade Protsess Nõuded protsessi tööle (seadesuurus) (juhitav suurus) Juhttoime Häiring 1 Häiring 2 Häiring 3 Vea- signaal e u y Väljund r (või w) + Juhtseade Protsess Seadesuurus (nõuded protsessi tööle) - Juhttoime Andur Tagasiside

20. Automaatjuhtimissüsteemide(AJS) liigitus (2) Pidevaja AJS Süsteemi signaalid on pideva aja funktsioonid. Näiteks e = f(t) Diskreetaja AJS Osades süsteemi punktides on signaalid esitatud impulsside jadana või digitaalkoodina r (või w) + e Juht- seade u(t) y(t) Protsess D/A A/D -

21. Automaatjuhtimisüsteemid Juhtimine (või reguleerimine) – juhitakse veasignaali alusel (juhtimissüsteem, reguleerimissüsteem). Stabiliseerimine - seadesuurus konstantne (stabiliseerimissüsteemid). Järgimine - juhtimine väliselt muudetava seadesuurusega (järgivsüsteemid, servosüsteemid). Programmjuhtimine - juhtimine varem koostatud eeskirja (programmi) järgi __________________________________________________________ Meetodid: Modaaljuhtimine, optimaaljuhtimine, adaptiivjuhtimine, hägusjuhtimine, närvivõrkudega juhtimine,…

22. Süsteemid / Protsessid (mudelid) Lineaarsed / mittelineaarsed mudelid / reaalsed süsteemid Valdavalt lineaarsed süsteemid - signaalide suuruste teatud piirides omavad süsteemi osad lineaarseid karakteristikuid. Lineaarsete süsteemide jaoks eksisteerib palju sobivaid analüüsi ja sünteesi meetodeid. Mittelineaarsused: küllastus, lõtk, tundetuse tsoon, hõõrdejõu ületamine, vedru, “sisse/välja” jne. Statsionaarsed / mittestatsionaarsed Statsionaarse süsteemi parameetrid püsivad muutumatutena süsteemi töötamise ajal. Reaalsed süsteemid sisaldavad elemente, mille parameetrid aja jooksul muutuvad ( kuumenemine, kulumine jms.)

23. Süsteemid / Protsessid (mudelid) 3. Determineeritud / stohhastilised Süsteemi parameetrite vahelised seosed on üheselt määratud / seosed on juhuslikud, statistilised. 4. Koondatud- / hajusparameetritega Koondatud parameetritega süsteem on esitatav lõpliku n-järku diferentsiaalvõrrandiga või diferentsiaalvõrrandite süsteemiga.

24. Pidevate protsesside mudelid Mudel peab olema sobivalt täpne piirkonnas, mis meid huvitab ja küllaltki lihtne arvutamiseks! Protsess Olek x(t) Väljund y(t) Sisend u(t) Staatilised karakteristikud Dünaamilised karakteristikud Kirjeldamisel on abiks jäävuse seadused (bilanss) mass: m = ms - mv jõud: F = 0 elektrivool: I = 0 jm.

25. AJS kvaliteedinäitajad - nõuded siirdeprotsessile X(t) Ülereguleerimine δ 1+ 1 1- est 0.90 = 5% seadesuurusest Seade-suurus Staatiline viga Reguleerimise aeg t t 0.1 0 trise ts AJS siirdekarakteristik – reaktsioon ühikhüppelisele seadesuurusele

26. Süsteemide / Protsesside dünaamika 2. järku prototüüp süsteem /protsess staatiline ülekandetegurK = 1 sumbuvus  omavõnke(resonants-)sagedus n T=1/n lahend (y0=0, u(t)=1) siirdekarakteristik g(t): ülereguleerimine maksim.  aeg ligikaudne reg.aeg