Szabályozási Rendszerek Automatizálási tanszék Szabályozási Rendszerek 2014/2015, őszi szemeszter Előadás

A szabályozáselmélet főbb irányzatai Klasszikus szabályozáselmélet - az 1940-es évek elején kezdett kialakulni, mely aztán rohamosan kezdett fejlődni - a ʼ60-as években már általánosan elterjedt az irányítástechnikai mérnöki gyakorlatban - a kidolgozott módszerek főleg determinisztikus jeleket feltételeztek - elsősorban lineáris rendszerek esetére adott módszereket - egyszerű szabályozók alkalmazása (PID) és beállítási paraméterek frekvenciatartománybeli módszerekkel - ökölszabályok megjelenése a szabályozók beállításához - Ziegler-Nichols, Janssen-Offereins - Oppelt, Strejc, Reinisch - ʼ40-es évektől folytonosidejű (analóg) tervezési módszerek - ‚60-as évektől diszkrétidejű (mintavételes) tervezési módszerek (Shannon, Cipkin, Jury stb.) - sztochasztikus folyamatok szabályozása már a II. Világháborúban is (Wiener-szűrő) - a nemlinearitás figyelembevételére Fourier-sorfejtésen alapuló módszert alkalmaztak

A szabályozáselmélet főbb irányzatai Modern szabályozáselmélet - az 50-es évek végén, 60-as évek elején alakult ki - optimális irányítások tervezésére vonatkozó elméletek - állapotvisszacsatolás, állapotmegfigyelés - sztochasztikus jelek optimális szűrése - adaptív irányítások alapjai - prediktív irányítás elméleti alapjai - továbbfejlesztések Posztmodern szabályozáselmélet - 80-as években alakult ki - robusztus optimális irányítások területe, változó rendszer, referencia-, és zavarjelek esetén Soft computing - Az utóbbi pár évtizedben alakult ki. Fuzzy, genetikus algoritmusok, neurális hálózatok stb.

Az irányítási folyamat műveletei Érzékelés: értesülés (információ) szerzése az irányító folyamatról Ítéletalkotás: döntés az értesülés feldolgozása alapján a rendelkezés szükségességéről Rendelkezés: utasítás a beavatkozásra Jelformálás: jelmódosítás, jelerősítés Beavatkozás: az irányított folyamat befolyásolása a rendelkezés alapján Irányítási lánc Hatáslánc Érzékelés Ítéletalkotás Rendelkezés Jelformálás Beavatkozás

A jel, a jellemző Jel: valamely fizikai vagy kémiai állapothatározó olyan értéke, vagy értékváltozása, amely egy egyértelműen hozzárendelt információ szerzésére, továbbítására vagy tárolására alkalmas. Legfontosabb jellemvonása az információtartalom, ami mellett az energiatartalom csak másodlagos jelentőségű. Jelhordozó minden fizikai, vagy kémiai mennyiség lehet. Jellemző: azok az állapothatározók, amelyek az irányítandó folyamat állapotát jellemzik, vagy befolyásolják. A jellemző olyan jel, amely az irányítandó folyamat állapothatározóinak értékéhez vagy értékváltozásához rendel információt. A jel értékkészlete szerint: - folytonos: értékkészlete összefüggő tartomány - szakaszos, értékkészlete diszkrét értékeket vehet fel Az időbeli lefolyás szerint: - folyamatos, összefüggő időtartományban és megszakítás nélkül fennáll - szaggatott, meghatározott időtartományban szolgáltat információt

A jel, a jellemző Megjelenési formája szerint: - analóg, az információt a jelhordozó értéke határozza meg - digitális, az információ diszkrét, vagy pl. számjegy Az érték meghatározottsága szerint: - determinisztikus, értéke meghatározott időfüggvénnyel egyértelműen megadható - sztochasztikus, véletlen lefolyású jel, valószínűség számítási módszerekkel írható le. Tipikus esetek: - folytonos, folyamatos, analóg jel - szakaszos, folyamatos, analóg jel - folytonos, szaggatott, analóg jel - szakaszos, szaggatott, analóg jel - szakaszos, folyamatos, digitális jel - szakaszos, szaggatott, digitális jel

Az irányítási rendszer Irányítási rendszer: - irányított rendszer - irányító rendszer Az irányítási rendszer dinamikus rendszer Irányítási rendszer Irányító rendszer Irányított rendszer

Az irányítási rendszer jellegzetességei - Hatáslánc: szerkezeti egységek sorozata; az irányítási hatást követik - Az irányítási rendszer leírható: - Szerkezeti vázlat: vázlatos, vagy jelképes szerkezeti ábrázolás - Működési vázlat: a hatáslánc szerkezeti részeinek ábrázolása - Hatásvázlat: a hatáslánc elvi elvonatkozatott ábrázolási módja, Megadható pl. Blokkvázlattal / blokksémával

Az irányítási rendszer jellegzetességei - Hatáslánc: szerkezeti egységek sorozata; az irányítási hatást követik - Az irányítási rendszer leírható: - Szerkezeti vázlat: vázlatos, vagy jelképes szerkezeti ábrázolás - Működési vázlat: a hatáslánc szerkezeti részeinek ábrázolása - Hatásvázlat: a hatáslánc elvi elvonatkozatott ábrázolási módja. Megadható pl. Blokkvázlattal / blokksémával - A hatásvázlat részei: - tag - irányított szakasz - hatásirány - bemenő jel - kimenő jel - A blokkvázlat jelzi: - a hatáslánc jeleit (vonalak) - a hatáslánc tagjait (téglalap, ötszög) - a hatásirányt (a vonalakra rajzolt nyilakkal) - az összegzési helyeket ( , + vagy - jelzéssel)

Irányítás: Vezérlés és szabályozás xz xr xb xm Vezérlő berendezés Beavatkozó szerv Vezérelt berendezés Szabályozás xz xa xr xb xm xs Szabályozó berendezés Beavatkozó szerv Szabályozott berendezés xe Érzékelő szerv

Vezérlés és szabályozás összehasonlítása Irányítás Vezérlés Szabályozás Hatáslánc Nyitott Zárt Zavaró jel Hatása előre ismert Hatása nem ismert, de kiküszöbölhető Jelátviteli tulajdonságok Pontosan ismerni kell Kisebb a jelentősége Stabilitás Stabil Helyenként instabil lehet

Szabályozások osztályozása Alapjel szerint - Értéktartó szabályozás - Követő szabályozás A jelátvivő tagok matematikai modellje szerint - Lineáris szabályozás - Nemlineáris szabályozás A jelek értékeinek meghatározottsága szerint - determinisztikus szabályozás - sztochasztikus szabályozás

Szabályozási rendszerek tervezésének lépései A szabályozott szakasz definíciója A folyamat analízise A beavatkozó szervek megválasztása A szabályozási hardver megvalósítása Adatgyűjtés a folyamaton A folyamat identifikációja (matematikai modellje) A szabályozási algoritmus kifejlesztése A szabályozási algoritmus szoftver implementálás A szabályozási rendszer végső tesztelése (validálás)

Az zárt rendszer domináns pólus-párja Szabályozások minőségi jellemzői Zárt szabályozási kör átmeneti függvénye Túllövés ∆𝜈= [𝜈( 𝑇 𝑚 )−𝜈(∞)] 𝜈(∞) 100% Az zárt rendszer domináns pólus-párja 𝑠 1,2 =−𝜉 𝜔 0 ±𝑗 𝜔 0 1− 𝜉 2 A rendszer jósága, ha 𝑒 𝑡 =1−𝜈(𝑡) 𝐼 𝑄 = 0 ∞ 𝑒 2 (𝑡)𝑑𝑡 IQE 𝐼 𝐴 = 0 ∞ 𝑒 (𝑡) 𝑑𝑡 IAE 𝐼 𝑇𝐴 = 0 ∞ 𝑡 𝑒 (𝑡) 𝑑𝑡 ITAE Felfutási idő Első maximumig terjedő idő Szabályozási idő