College Regeltechniek 2007/2008
5CC50 BEIT2.3
Studielast
- hoorcolleges: 20
- instrukties/begeleide zelfstudie: 20
- verwachte zelfstudie: 40 uren
- studiepunten: 3
- computergebruik: MATLAB
Voorkennis
Voorgaande signaal- en systeemvakken (5DD20)
Doelstelling
De student is in staat geheel zelfstandig regelaars te ontwerpen voor gegeven, lineaire, SISO(= een ingang en een uitgang)-processen, zowel tijdscontinu als tijdsdiscreet volgens de klassieke regeltechniek. Hij is doordrongen van de onvermijdelijke compromissen, weet duidelijk conflicterende eisen te plaatsen en aan te geven, wat de "bottleneck" van het resulterende geregelde systeem is en dus hoe tegen meerprijs (van b.v. een sterkere actuator, een sensor met minder ruis, een accurater model van procesdynamica) een verbetering mogelijk is.
Docent
dr.ir.A.A.H.Damen. Overleg met docent tussen en na het college, of afspraak tel. 4701, e-mail: a.a.h.damen@tue.nl
Boek
Vereiste kennis van bovenstaand materiaal :
- ad I) Franklin: Hoofdstuk 4:
4.1: Noodzakelijk tot 4.1.2
4.2: Noodzakelijk met uitzondering van Ziegler-Nichols (4.2.4) en anti-windup (4.2.5) wordt niet op college behandeld.
4.3: Noodzakelijk tot 4.3.5
- ad I) Franklin: Hoofdstuk 5:
5.1: Noodzakelijk
5.2: U dient routinematig rootloci te kunnen schetsen dus wel wenselijk.
- ook voor K<0! zie op college en sectie 5.2.2
- pagina 284: Routh-Hurwitz hoeft u niet te kunnen reproduceren (docent moet dat ook altijd weer opzoeken), alternatieven matlab: "roots"; wordt behandeld op college)
- Bij twee polen en een nulpunt is de rootlocus altijd een cirkel met het nulpunt als centrum en de reele as. Zie college en opgave 5.10
5.3: Doorlezen, zeer illustratief en inzichtversterkend.
5.4: overslaan
5.5: Doorlezen, Lead- en Lagnetwerken worden behandeld nadat ook Bode-diagrammen en Nyquistdiagrammen zijn behandeld, opdat het effect meteen met alle drie de technieken kan worden duidelijk gemaakt.
5.6: Interessant voorbeeld.
5.7.1: Doorlezen, wordt ook behandeld na Bode en Nyquist.
5.7.2: Doorlezen, wordt ook behandeld na Bode en Nyquist.
5.7.3: Overslaan.
Geschikte opgaven: 5.2; 5.5; 5.6; 5.8; 5.12; 5.21; 5.23; 5.24; 5.24; 5.26; 5.27; 5.30; 5.34; 5.43; 5.48
- ad I) Franklin: Hoofdstuk 6:
6.1: moet U reeds bekend zijn, doorlezen.
6.1.1: Ook het schetsen van Bode-diagrammen moet U bijna achteloos kunnen!
6.1.2: Ter herinnering, doorlezen.
6.2: stabiliteitscriterium met Bode, niet altijd toepasbaar! Kan beter bekeken worden na het Nyquistcriterium in combinatie met 6.4: stability margins.
6.3: Nyquistdiagrammen: moet U routinematig kunnen tekenen! Nyquistcriterium: moet U in volle omvang kunnen toepassen!
6.4: Moet goed gekend worden.
6.5: overslaan
6.6: vermeldenswaardig
6.7: Dit zijn nu uiteindelijk de principes van klassiek regelaarontwerp! Dus belangrijk.
6.8: overslaan
6.9: is zeker belangrijk, maar komt in het dictaatje "Limits of Feedback Control" overzichtelijker aan de orde.
6.10: Tijdvertragingen komen in het college aan de orde met alle aspecten.
6.11: overslaan
Geschikte oefenopgaven: 6.2; 6.3c,g,h; 6.4; 6.11; 6.14; 6.16; 6.21; 6.22; 6.29; 6.43; 6.46; 6.47; 6.50; 6.55; 6.72; 6.75
- ad I) Franklin: Hoofdstuk 7:
Wordt niet behandeld, komt aan de orde in keuzevak 5SC20 "State Space Control".
- ad I) Franklin: Hoofdstuk 8:
Volkomen ontoereikend. Kan desgewensd geraadpleegd worden, nadat U het dictaatje (II) hebt bestudeerd.
- ad II) Dictaatje "Introduction Digital Control":
Hoofdstuk 1+2: Recapitulatie van stof uit eerdere colleges maar wel bezien in het kader van deze toepassing nl. regelaarontwerp. Goed begrijpend doorlezen. Wordt behandeld op college.
Hoofdstuk 3: Stevig doorlezen. De principes van ZOH, Euler(voorwaarts en terugwaarts), Tustin, MPZM kunt U b.v. kort op Uw zelfgemaakt formuleblad overnemen.
Hoofdstuk 4: Intensief bestuderen. Behoort zeker tot de examenstof.
Geschikte oefenopgaven uit Franklin: 8.1; 8.2; 8.6; 8.8; 8.9; 8.16; 8.21; 8.24
- ad III Dictaatje "Limits of Feedback Control":
totaal: Bestuderen
- ad IV Dictaatje "Models":
Geeft achtergrondinformatie over gebruikte voorbeelden in college, oefenopgaven en tentamens: Raadplegen
Colleges
De colleges en instrukties/begeleide zelfstudie zijn op maandagochtenden; de planning is als volgt:
28 jan. 8.45-10.30u: introduktie, regelconcepten, enige procesvoorbeelden. (Franklin pp.200-207, "Limits of Feedback control" pp.3-13) Gebruikte software: INSTPro1.m
28 jan. 10.45-12.30u: Matlab instrukties en oefenopgaven over voorgaande colleges (zie ook "models" voor plant-beschrijvingen) Opg: INSTR01.pdf Uitw: penwxcon.pdf
11 feb. 8.45-10.30u: PID-regelaars voor stabiele systemen van eerste en tweede orde. (Franklin pp.215-242)
11 feb. 10.45-12.30u: Matlab instrukties en oefenopgaven over voorgaande colleges. Opg: INSTR02.pdf Uitw: assset2.ppt instpro2.m
18 feb. 8.45-10.30u: Rootlocus (Franklin hoofdstuk 5)
18 feb. 10.45-12.30u: Matlab rlocus/rltool-instrukties en oefenopgaven over rootlocus. Opg: INSTR03.pdf Uitw: assset3_1.ppt assset3_2.ppt assset3_1.m assset3_2.m plantdef.m raketcla.m
25 feb. 8.45-10.30u: Bode/Nyquist, stabiliteit (Franklin 6.1 t/m 6.3)
25 feb. 10.45-12.30u: Matlab instrukties en oefenopgaven over voorgaande colleges. Opg: INSTR04.pdf Uitw: asset5.ppt asset4.ppt asset5_1.m instpro4.m asset4_1.m ass41pro.m
3 mrt. 8.45-10.30u: marges, regelaarontwerp (Franklin 6.4 t/m 6.7)
3 mrt. 10.45-12.30u: Matlab instrukties en oefenopgaven over voorgaande colleges. Opg: INSTR05.pdf Uitw: asset5.ppt instpro5.m asset4_2.m asset4.ppt asset5_2.m
17 mrt. 8.45-10.30u: vertragingstijden (Franklin 6.8) Gebruikt programma: waterdel.m. Integratoren, onderlussen (dictaatje "Limits of feedback control")
17 mrt. 10.45-12.30u: Matlab instrukties en oefenopgaven over voorgaande colleges. Opg: INSTR06.pdf Uitw: antwopg6.pdf
31 mrt. 8.45-10.30u: Fundamentele beperkingen in de regeltechniek zoals properness, niet-minimum-fase nulpunten, Bode-integraal, instabiele polen (dictaatje "Limits of feedback control")
31mrt. 10.45-12.30u: Matlab instrukties en oefenopgaven over voorgaande colleges. Opg: INSTR07.pdf Uitw: asset6.ppt {asset6_i.m i=1,2,3,4} inspro72.m
7 apr. 8.45-10.30u: Digitale regelaars (dictaat "Intr. Dig. Contr.")
7 apr. 10.45-12.30u: Matlab instrukties en oefenopgaven over voorgaande colleges. Opg: INSTR08.pdf Uitw: hybrid.mdl asset7.ppt asset7_1.m
14 apr. 8.45-10.30u:Voortzetting Digitale regelaars (dictaat "Intr. Dig. Contr.")
14 apr. 10.45-12.30u: Matlab instrukties en oefenopgaven over voorgaande colleges. Opg: INSTR09.pdf Uitw: asset8.ppt asset8_1.m asset8_2.m
21.apr. 8.45-10.30u: uitloop, vragen
21.apr. 10.45-12.30u: uitloop, vragen
Leerdoelen
In navolgende lijst worden per collegedag de onderwerpen genoemd. U wordt verzocht er zelf achtereenvolgens de standaardzinnetjes omheen te bouwen , zoals:
De student kan na afloop ..... begrijpen.
....... tekenen evt. met Matlab
....... interpreteren.
....... nader ontwerpen.
....... evalueren.
28 januari:
- Feedforward, begrippenkader "properness", realiseerbare overdracht
- pole/zero-cancellation, niet in gesloten rechter halfvlak
- Feedback, klassiek regelschema, actuator, sensor, modelfout
- gesloten lus overdracht berekenen + Matlab
- regeling is altijd compromis: S+T=1, definitie performance + constraints
- herkennen van regelachitecturen, tekenen van blokschema's
- "binnenlus", "buitenlus", "actuatorlus", "plantlus"
11 februari:
- P, I, PI-regelaars ontwerpen + analyseren voor eerste orde systemen
- analyse van closed loop-gedrag met stapresponsie en Bodediagrammen
- effecten van "grote" C bezien in actuatorverzadiging, slechtgedempte oscillaties en eindfout
- kwaliteit stapresponsie: stijgtijd, overshoot, settling time
- met sublus regelaars ontwerpen voor Hubble (dubbele integrator)
- trackingsprofielen en verstoringsonderdrukking
18 februari:
- rootloci/poolbanen
- voor eenvoudige polen/nulpunten- configuraties zelf kunnen tenenen
- met Matlab (rltool) ingewikkelde configuraties kunnen uitwerken en linken aan stapresponsies, bodediagrammen
- stabiliserende regelaar ontwerpen voor raket met flexibele modes, die wijzigen tijdens vlucht
25 februari:
- Bode/Nyquist in principe kunnen schetsen
- met Matlab uitgebreid plotten
- Nyquistcriterium (afleiding hoeft niet) : N=Z-P
- Ook lussen over oneindig
3 maart:
- gain-cross-over-frequency, phase-margin, delay-margin
- phase-cross-over-frequency, gain-margin
- margins aangeven in Nyquist en Bode-diagrammen + met Matlab
- Successievelijk ontwerp voor 3e orde stabiele plant van regelaar:
- P, PD (phase-lead) , PI (phase-lag) en combinatie tot PID
- ideale PID versus implementeerbare PID met extra roll-off polen
17 maart:
- vertraging/delay in s-domein, ontwerp regelaar met Bode/Nyquist
- benadering met Pade, voldoende bandbreedte, ontwerp in rltool
- met name bij meerdere integratoren in de lus, consequenties in frequentie-domein
- consequentie in tijd-domein: stapresponsie-integraal-theorema
- oplossing: feedforward, onderlussen
31 maart:
- effecten strictly properness in geregelde systemen
- oorzaken en gevolgen van niet-minimum-fase-nulpunten
- bandbreedte beperkingen bij niet-minimum-fase-nulpunten
- Bode-integraal-stelling
- gevolgen van open lus instabiele polen op closed loop gedrag in tijd- en frequentiedomein. Bijdrage aan Bode-integraal.
7 april:
- tijsdiscrete regelaar: emulatie C(s) dan wel ontwerp in z-domein
- recapitulatie bemonsteringstheorema
- transformatie van s-domein, via asterisk-s-domein naar z-domein
- zero order hold, properness in z-domain
- emulatie van C(s) in tijdsdiscrete implementatie
- "benaderende" s-z-transfomaties: ZOH, Euler forward and backward, Tustin, matched pole zero,..
- vergelijking diverse transformatie middels geregeld gedrag
14 april:
- (ontwikkeling) regelaarontwerp in z-domein
- pole/zero cancellation binnen eenheidscirkel,extra polen/nulpunten t.b.v. dead beat control, voordelen, nadelen
- afgezwakte dead beat control
- vermijding intersample oscillatie
Gekoppelde PGO/vaardigheidstrainingen:
- Meting en Aansturing vanuit Matlab/Simulink/Dspace van een praktisch proces: DC-motor. Continue tijd regelaarontwerp.
- Simulatie en regeling van een praktisch proces vanuit PC, nu digitale regeling: ball-levitation.
Examens en oefenmateriaal:
Schriftelijk, open vragen met gebruik van door Uzelf gemaakte formulebladen (2A4) en met gebruik van MATLAB op Uw Notebook . Ter voorbereiding hierop vindt U op regeltechniek 5CC50 ,de publieke folder van dit vak, voorgaande examens en uitwerkingen onder de namen "ex******.pdf".
SUCCES!