Signals and Systems at Uppsala University, Sweden
Signals and Systems Group Staff Descriptions of all our research areas Publications, in html, pdf and postscript Undergrad  courses and PhD programs News and Events


    Processreglering

 - En projektkurs som förenar avancerad reglerteknik och
    gränssnittsdesign med användning av Matlab och Java.  





Kursintroduktion         Mikael Sternad   2005-05-27


[ Projekt | Specifikationer | Lärare | Redovisning | Examination | Föreläsingar | Litteratur | Hemsida | Grupper ]


1. Mål och syfte

Namnet Processreglering säger långtifrån allt om vad denna kurs egentligen innehåller. Den handlar bara om en del av området processreglering, men innefattar även mer än reglering; Ni har framför er en projektkurs där ni tillämpar mycket från tidigare kurser.

Speciellt befästs och fördjupas kunskaperna om reglerteknik och systemidentifiering. Ni får dessutom möjlighet att själv konstruera användargränssnitt, samt att bemästra Matlab, HTML och Java. Reglersystemen utvecklas och implementeras helt i Matlab. Vidare utnyttjar vi en web-läsare för vårt användargränssnitt, som skrivs i Java.

Ni får erfarenhenhet av att genomföra ett större arbete i grupp. Arbetsformen ger stort utrymme för både kreativitet och fördjupning. Förutom en föreläsningsserie under perioden mars-april (se avsnitt 7), samt två laborationer som introducerar datorsystemet, fortlöper arbetet i projektform, fram till början av juni.

I projektet skall en labprocess, ``Coupled electric drives", tillverkad av TecQuipment Ltd, modelleras och styras. Dess dynamik liknar den som uppstår då en kontinuerlig sträng av någonting (t.ex valsad plåt eller viratråd) skall passera en bearbetningsstation. Hastighet och töjning hos det bearbetade materialet skall då regleras.

I labprocessen går ett gummiband över tre trissor. Två av trissorna drivs av likströmsmotorer, medan den tredje är upphängd i en fjäder. Bandets hastighet och töjning skall här styras separat.

Denna till synes harmlösa process visar sig vara en reglerteknisk utmaning. Systemet är oscillativt och bandtöjningen är ganska svårstyrd. Dessutom påverkar var och en av motor-styrsignalerna båda de styrda variablerna.

Analys och regulatorsyntes kan ske på många sätt. För att ge er en bred orientering om olika metoder, kommer olika grupper att få pröva olika tillvägagångssätt. Alla grupper ska dock även implementera PID-regulatorer. Under arbetets gång redovisar grupperna sitt arbete för varandra, se avsnitt 5.

De projektvarianter som föreslås i år är:

  • Fysikalisk modellering
  • Frekvensdomän-identifiering
  • Parametrisk identifiering
  • Direkt adaptiv reglering
  • Indirekt adaptiv reglering
  • Flervariabel LQ-reglering.
Dessa projekten beskrivs i avsnitt 2 nedan. Även andra varianter eller helt andra tillvägagångssätt kan dock prövas, efter diskussion med handledarna. Fältet är fritt för experiment och nytänkande.




2. Förslag till projekt

Gruppindelning, valda projekt och grupphandledare


SISO-reglering baserad på processidentifiering:

1. Frekvensdomän-identifiering.
Ni tar i denna projektvariant upp Bodediagram och stegsvar för viktiga insignal-utsignalkombinationer. (Se kompendiets del I.) Skalära modeller av processen studeras sedan med hjälp av Matlab. Parametriska modeller kan estimeras baserat på frekvensdomändata. Samplade regulatorer kan sedan konstrueras, t ex med lead-lag metoder eller polplacering på polynomform.

En sekvens av successivt snabbare regulatorer konstrueras. Robustheten som funktion av snabbheten studeras sedan. Förhoppningsvis existerar regulatorer som både uppfyller specifikationerna och som är okänsliga för modelleringsfel. De implementeras sedan i datorerna.

2. Parametrisk identifiering.
Liknar föregående projektvariant. Tidsdiskreta modeller på polynomform kan uppskattas ur insignal-utsignaldata med hjälp av System Identification Toolbox för Matlab. Minsta kvadrat- eller Maximum Likelihoodmetoden används. En sekvens av regulatorer konstrueras sedan och studeras m.a.p. robustheten, som i projekt 1.

Alternativt så kan fokus på utvärdering av denna regulator läggas på en utforskning av vad som begränsar prestanda för regulatorer med hög förstärkning: är det mättnadsfenomen (windup) pga ställdonsbegränsningar eller är det omodellerad dynamik i högfrekvensområdet?


Flervariabel reglering:

3. Flervariabel LQ-reglering baserad på underrums-identifiering.
De båda styrsignalerna till labprocessen påverkar, som nämnts, både bandspänning och bandhastighet. I ansatserna 1-2 ovan utförs först en statisk dekomponering för att omforma reglerproblemet till två styrproblem med skalära insignaler. En flervariabel linjäkvadratisk styrlag skulle dock automatiskt kunna ge dekomponering, dvs frånvaro av korspåverkan mellan bandhastighet och bandspänning. Syftet med projektet är att undersöka hurvida så är fallet. Modelleringen sker med så kallad underrums-identifiering.

4. Fysikalisk modellering.
En linjär tillståndsmodell för labprocessen kan ställas upp från fysikaliska samband. Parametrarna i modellen kan mätas upp med relativt enkla metoder. (Se kompendiets del I.) Det finns intressanta möjligheter att utnyttja systemidentifiering (baserad på en fysikalisk tillståndsmodell) för att förbättra modellen; se Matlab-toolboxen för systemidentifiering. Sedan kan man antingen konstruera två skalära regulatorer eller använda en flervariabel regulator.

Fokus på utvärdering av denna regulator kommer att läggas på utforskning av vad som begränsar prestanda för regulatorer med hög förstärkning: är det mättnadsfenomen (windup) pga ställdonsbegränsningar eller är det omodellerad dynamik i högfrekvensområdet?


Adaptiv reglering:

5. Direkt adaptiv reglering.
Regulatorparametrar kan uppdateras on line. Regulatorn ställer då in sig själv, genom att lära av sina misstag. En lämplig kandidat är Clarke-Gawthrops generaliserade minimalvarians-regulator. Denna regulator uppdaterar en prediktionsmodell rekursivt. Insignalen bestäms så att den predikterade utsignalen ska överensstämma med den önskade.

6. Indirekt adaptiv reglering.
En processmodell kan skattas on line, med hjälp av rekursiv identifiering. Baserat på någon metod för regulatordesign, t.ex. LQG på polynomform, beräknas automatiskt en ny regulator, när så behövs. På så sätt kan regleringen anpassas till förändringar hos processens dynamik.


3. Specifikationer: vad ska göras?

Modellering sker i Matlab, som kan köras under Linux. Reglerprogrammet skrivs i Matlab, utvidgat med realtids-stöd, under Linux. Konstruktion av gränssnittet mot användaren sker med HTML och Java. med stöd av en utvecklingsmiljö från Sun, One Studio (tidigare benämnd Forte). Till er hjälp finns ett skelettprogram tillgängligt.

Systemet ska bestå av program som körs på två datorer och består av

  • Ett grafiskt gränssnitt i Java för operatörs-kommunikationen körs på den ena datorn

  • Reglerprocesser i Matlab där regulatoralgoritmerna är implementerade körs i realtid på den andra datorn.


3.1 Grafiskt gränssnitt

Det grafiska gränssnittet SKALL:
  • Presentera ärvärden, börvärden samt styrsignaler grafiskt.

  • Möjliggöra inställning av referenssignaler.

  • Möjliggöra byte av arbetspunkt m.h.a. flexibla ramper.

  • Larma och stoppa processen vid
    • kraftiga oscillationer
    • brott på gummibandet
    • brott på fjädern.

  • Ge användaren möjlighet att fritt byta regulatormod mellan
    • öppen styrning
    • PID-regulator
    • avancerad regulator.
    Olika regulatortyper skall kunna användas på de två delsystemen. (Gäller ej flervariabel LQ.)

  • Ge möjlighet att visa och förändra (vissa) parametrar för PID-regulatorn och den avancerade regulatorn.

  • Ge möjlighet att nödstoppa processen.
Det är viktigt att gränssnittet är överskådligt och tydligt. Varje funktion ska vara genomtänkt. Man måste hela tiden tänka på vilken information den tänkte användaren vill ha.

Några exempel på extrafinesser:

Det grafiska gränssnittet kan förbättras på många sätt. Här är några exempel:

  • Olika nivåer i gränssnittet. Regulatorn kan tänkas användas av personer som efterfrågar olika mängder av information och kan tänkas använda olika reglage. En operatör har inte samma krav på ett gränssnitt som en utvecklingsingenjör.

  • Presentation av motorsignaler såväl som av styrsignaler till dekomponerade delsystem.

  • Presentation av andra signaler och parametrar som gör att man bättre förstår processen. Pol-nollställesdiagram för processmodeller ger t.ex. ökad insikt i vad som försiggår vid indirekt adaptiv reglering.

    En användbar finess, speciellt vid indirekt adaptiv reglering, vore om man direkt kunde påverka den skattade dynamiken. En metod skulle kunna vara att tvångsförflytta det skattade systemets poler genom att klicka på dem i ett pol-nollställesdiagram på skärmen. Detta skulle underlätta för oss att hjälpa algoritmen, då den råkar fastna i lokala minima hos kriteriefunktionen.

  • Förbättrade larmrutiner. Olika nivåer av larm, t.ex. en nivå som bara larmar för oscillationer utan att stoppa processen.

  • Kvittens och loggning av larm.

  • Automatisk bestämning av stigtid.

  • Möjlighet att lagra signaler på fil.

  • Möjlighet att läsa in referenssignalen från en yttre källa via AD-omvandlare.


3.2 Reglerprestanda

För regulatorerna gäller följande:
  • Övergången mellan olika regulatorer skall ske stötfritt (bumpless transfer).

  • Såväl bandhastighetens som bandspänningens PID-regulatorer skall vara vältrimmade.

  • Alla regulatorer skall ge stabila system med statisk förstärkning 1, för både bandhastighetssystemet och bandspänningssystemet.

  • Den avancerade regulatorn för bandhastighetssystemet skall ge en stigtid under 0.25s med en översläng som är mindre än 20%.

  • Den avancerade regulatorn för bandspänningssystemet skall dämpa störningar bättre än det öppna systemet.
Specifikationerna ovan skall uppfyllas vid alla arbetspunkter i området +-5V för bandhastighets-givarens utsignal och +-2V för bandspännings-givarens utsignal. För de avancerade regulatorerna gäller också att de skall vara så snabba som möjligt. Hur snabba de kan bli beror på vald projektvariant.

För de flesta regulatoransatser är det möjligt att komma under en stigtid på 0.20 s för hastighetssystmet. Den direkta adaptiva regulatorn kan dock ha svårt att uppnå en stigtid på 0.20 s. För bandspänningssystemet är det möjligt för de flesta regulatoransatser att åstadkomma stigtider under 0.25 s.



3.3 Resultatredovisning

Resultaten av arbetet ska presenteras på följande sätt:
  • Muntligt, i form av tre redovisningar inför de andra grupperna, se avsnitt 5.
  • Skriftligt, i en grupprapport, se avsnitt 6.
  • På nätet, där en web-sida presenterar användargränssnittet.
  • Med en demonstration av det färdiga systemet inför er handledare.


4. Lärare och handledning

Föreläsare och handledare för projektgrupperna:
E-post: Tel.:
Mikael Sternad Kursansvarig
föreläsare , handledare
ms AT signal.uu.se 4713078
0704-250 354
Ove Ewerlid Datoransvarig ewerlid AT signal.uu.se 070-6662363
Daniel Aronsson Grupphandledare dar AT signal.uu.se 4713071
070-2687612
Jens Karlsson Föreläsare , projektarbetsmetodik jens.karlsson
AT cc-systems.se



5. Etappredovisningar

Vi kommer att ha tre redovisningstillfällen, där grupperna berättar om framsteg och problem muntligt (ca 10 min per grupp). Det är våra fasta handledningstillfällen. Den första redovisningen sker 10/5 kl 13-15.

Senast den 16 maj ska projektgruppen dessutom ha gjort en etappredovisning för sin handledare. Minimikravet är att ha en fungerande PID-regulator för labprocessen.


6. Examination

För godkänt resultat fordras
  • att er handledare har godkänt etappredovisning och slutredovisning av det färdiga systemet.

  • att det färdiga användargränssnittet presenterats på en web-sida.

  • att ni skrivit en grupprapport som blivit godkänd.
Rapporterna skall skrivas på svenska eller engelska. I projektrapporten ska en kortfattad beskrivning av processen och utnyttjad reglerteori ges. Processmodellering, regulatorer, användargränssnitt, programstruktur och resultat presenteras utförligt.

Rapporterna skall speciellt diskutera följande typ av resultat:

  • Robusthetsanalys, som får utföras olika beroende på vilken projektvariant som valts.

  • Prestanda (stigtid, rampfel, störningsdämpning etc.) för regulatorerna.
    Även utsignaler och motsvarande insignaler för referens-stegsvar och störnings-stegsvar bör presenteras, i ett urval av arbetspunkter.

  • En jämförelse av reglerprestanda (för både bandhastighet och bandspänning) mellan den bästa regulatorn ni tagit fram och en vältrimmad PID-regulator.
Även en användarmanual för reglersystemet skall ingå.

Källkoden behöver inte inkluderas, bifoga däremot en diskett med alla program, inklusive källkoden. Källkoden ska ligga i ett arkiv med namnet ``procreg.tar.gz''. Arkivet kan skapas med kommandot:

tar -zcf procreg.tar.gz < katalognamn >

Det är mycket bra om ni bifogar en förteckning över problem och svårigheter ni stött på under projektets gång. (Detta påverkar inte betygsättning utan används för kursförbättring.)

Det färdiga styrsystemet ska ha redovisats senast den 8 juni 2005. Övrig redovisning måste lämnas in senast den 14 juni 2005. Projekt som redovisas för sent kan högst ge betyget 3 om inte mycket speciella skäl föreligger.

Betygsättningen baseras framförallt på grupprapporten, det presenterade regler- och gränssnittsprogrammet samt etappredovisningarna. Även förmågan att analysera och lösa problem under arbetets gång beaktas dock.




7. Föreläsningsplan, Processreglering 2005

Uppdaterad 27/5 2005.
    
Dag Tid Sal Innehåll: Lärare
1. Må 11/4 10-12 MK22 Allmänt om kursen och projekten. MS
Beskrivning av labprocessen.
2. Ti 12/4 13-15 MK23 Modellbygge, fysikalisk modellering. MS
Frekvensdomän-identifiering.
3. Ti 12/4 15-17 MK23 Parametrisk identifiering. MS
4. On 13/4 15-17 P1111 Parametrisk identifiering, forts. MS
5. To 14/4 13-15 MK23 Projektarbetsmetodik JK
6. Fr 15/4   8-10 P1111 Rekursiv identifiering. MS
7. Må 18/4 13-15 P1212 Direkt adaptiv reglering MS
8. Ti 19/4 10-12 P1113 PID, parameterstyrning och autotuning MS
9. On 20/4   8-10 P1113 Tillståndsåterkoppling MS
10. To. 21/4 13-15 P2146 LQG-reglering på tillståndsform MS
11. Fr. 22/4 13-15 MK21 Introduktion till skelettprogram och One Studio, Javabeans, element i gränssnittet OE
L1 Må 25/4 13-17 Laboration 1 OE, DAR
L2 Ti 26/4 13-17 Laboration 2 OE, DAR
12. To 28/4 10-12 P1111 Polynommetoder för skalär återkoppling. MS
13 To 28/4 13-15 P1111 H2 (LQG)-syntes med polynommetoder MS
14. Ti 3/5 13-15 P1113 Indirekt adaptiv reglering. MS
15 On 4/5   8-10 P1212 Robusthet hos reglersystem MS
 
R1 Må 16/5 15-16 K23 Gruppredovisning nr 1.
R2 Fr 27/5 9-10 P1212 Gruppredovisning nr 2.
R3 Ti 7/6 10-12 K23 Gruppredovisning nr 3.






8. Litteratur

Kurslitteratur:

  1. Sternad M. Modelling and Control: Lecture Notes for the Project Oriented Course in Process Control. Uppsala 1994, rev. 1997.

  2. Ahlén A. och M. Sternad. Adaptiv reglering. Uppsala 1988.
Materialet (1,2) kan köpas av Mikael Sternad. Priset är 150 kr.

Referenslitteratur:

  • Åström K. and B. Wittenmark. Computer Controlled Systems, Prentice Hall International, third ed. 1997.

  • Matlab manuals. The MathWorks Inc.

  • Eva Pärt-Enander and Anders Sjöberg. Användarhandledning för Matlab 5, TDB, IT-institutionen, Uppsala Universitet.

  • Ljung L. and T. Glad (1994). Modelling of Dynamic Systems. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ. Svensk version: Modellbygge och Simulering, Studentlitteratur, 1991.



[ Projekt | Specifikationer | Lärare | Redovisning | Examination | Föreläsingar | Hemsida ]

[ Uppsala U. | Signals and Systems: | Staff | Research | Publications | Education ]


| http://www.signal.uu.se/Courses/CourseDirs/Procreg/Intro05.html |