Titelpagina - Doelstellingen - Inhoudstafel - KHLim
Titelpagina - Doelstellingen - Inhoudstafel - KHLim
Titelpagina - Doelstellingen - Inhoudstafel - KHLim
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
KATHOLIEKE HOGESCHOOL LIMBURG<br />
Departement Industriële wetenschappen en technologie<br />
Automatisering<br />
Regeltechniek<br />
Deel I<br />
Basis Regeltechniek<br />
Dr ir J. Baeten<br />
cursus gedoceerd aan<br />
3° jaar Academische Bachelor Elektronica<br />
3° jaar Academische Bachelor Elektromechanica<br />
Brugjaar Academische Bachelor Elektriciteit<br />
uitgave 2005
© Katholieke Hogeschool Limburg<br />
Departement industriële wetenschappen en technologie<br />
Universitaire campus gebouw B, bus 3, B-3590 Diepenbeek, Belgium<br />
Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of<br />
openbaar gemaakt worden door middel van druk, fotokopie, microfilm, elektronisch of op<br />
welke andere wijze ook zonder voorafgaandelijke schriftelijke toestemming van de uitgever.<br />
Baeten J.<br />
- i -
Positionering van het vak Regeltechniek<br />
Regeltechniek is een ingenieursvak met als voornaamste inhoud het ontwerp en de instelling van<br />
regelaars en regelkringen. Elk (continu) proces dat automatisch dient te verlopen dwingt het<br />
invoeren van een vorm van controle met behulp van een regelaar op. In eerste instantie zal dit<br />
een eenvoudige klassieke (P-, PI-, PD- of PID-) regelaar of Aan/Uit regelaar zijn. Wegens de<br />
permanente drang naar digitalisering zal dit in de praktijk echter vaak een digitale regelaar<br />
worden. Bij veeleisende processen, bijvoorbeeld met meerdere in- en uitgangen, is het gebruik<br />
van een toestandsregelaar dan weer aangewezen. Klassieke, Aan/Uit en Digitale regelaars komen<br />
grondig aanbod met als doel de ingenieur in wording in staat te stellen zelf regellussen en<br />
regelaars te ontwerpen, bestaande regelkringen te verbeteren of op adequate wijze<br />
regelparameters aan te passen<br />
Regeltechniek bestaat uit een aantal opeenvolgende vakken. Het vak Basis Regeltechniek (REG1<br />
- REG11) start met de beschrijving van de eigenschappen van de analoge regelkring qua<br />
stabiliteit, nauwkeurigheid, snelheid en robuustheid met het Bode-diagram (AM en FM) en het<br />
wortellijnendiagram als belangrijkste analyse-tools. Verder komen speciale regelstructuren en<br />
Niet-Lineaire regelaars (Aan/Uit) aan bod.<br />
Digitale Regeltechniek (REG2) beschrijft de werking, het ontwerp en de instelling van een<br />
regellus met minstens één digitaal element. De voornaamste inhoud van digitale regeltechniek is<br />
de Z-transformatie, transformatietechnieken voor het omzetten van een continu systeen naar een<br />
discreet equivalent, het ontwerp en de implementatie van (klassieke) digitale regelaars en het<br />
toestandsruimtemodel met ontwerp van een toestandsregelaar. Deze laatste techniek wordt enkel<br />
toegepast op enkelvoudige systemen (1 ingang - 1 uitgang), maar vormt desalniettemin een<br />
introductie in zeer voorname regeltechnische technieken. Tenslotte geeft Fuzzy Regeltechniek<br />
(REG2) een beknopte inleiding op fuzzy regelaars.<br />
De theoretische kennis wordt verder onderbouwd in de labozittingen (REGL) en door een<br />
projectwerk (voor de studenten automatisering) dat een praktisch concreet ontwerp omvat van<br />
een regeltechnisch systeem (REG3L), zoals bijvoorbeeld: een motorregeling, een positieregeling<br />
of een mini-robot-ontwerp.<br />
Naast de evidente basiskennis rond het vak regeltechniek zelf, vertegenwoordigt regeltechniek<br />
eveneens een ingenieursvak dat zich uitstekend leent om het ingenieursdenken en<br />
probleemoplossend vermogen van de student te ontwikkelen. Een regeltechnisch ontwerp omvat<br />
vaak naast een afwegen tussen de verschillende gestelde eisen ook een afwegen in de keuze van<br />
de meest geschikte ontwerptechniek.<br />
Interne relaties<br />
Regeltechniek hoort thuis in het vakdomein automatisering. Het vormt één van de twee<br />
voornaamste peilers binnen automatisering. De andere peiler is stuurtechniek (PLC). De huidige<br />
generatie van PLC's laat echter ook onmiddellijk de implementatie van analoge of digitale<br />
regelaars toe.<br />
De vereiste voorkennis om regeltechniek aan te vatten is systeemtheorie en complex rekenen,<br />
naast een evidente basis bagage wiskunde (algebra, matrixrekenen).<br />
Baeten J.<br />
- ii -
Regeltechniek kent raakpunten met meetsystemen (MSYS) (gebruik van sensoren), ontwerpen,<br />
informatica (programmeren van een digitale regelaar) …<br />
Aan de andere kant is regeltechnische basiskennis vereist in de vakken: robotica, hydraulica,<br />
vermogensturingen (frequentieregelaars, elektrische aandrijvingen) en vermogenversterkers,<br />
elektronica, elektrische motoren ….<br />
Externe relaties<br />
Regeltechniek vormt in zijn finaliteit een onmisbare basiskennis bij elk mogelijk (continu)<br />
automatiseringsproces of ingenieursontwerp in een breed gamma aan technische domeinen:<br />
bijvoorbeeld in de procesindustrie (regelen van druk, temperatuur, niveau, debiet, …), bij het<br />
ontwerp of afstellen van motoren (snelheid, positie, stroom, kracht), in de robotica (positie en<br />
ondermeer ook voor toepassen van externe sensoren zoals visie, afstandsmeting of kracht). Ook<br />
bij het onderhoud van zulke systemen is een zekere regeltechnische basiskennis onontbeerlijk.<br />
Vakdoelstellingen en examinatiewijze<br />
Deze cursus maakt deel uit van drie verschillende opleidingsonderdelen afhankelijk van de<br />
studierichting. Voor de studenten Elektronica en Elektromechanica optie automatisering is dit<br />
opleidingsonderdeel REGB, vak REG1. Voor Elektromechanica optie elektromechanica is<br />
opleidingsonderdeel REGA, vak REG1+L. Voor de studenten van het brugjaar Academische<br />
Bachelor hoort deze cursus, samen met de cursus systeemtheorie, thuis in het vak REG11 binnen<br />
het opleidingsonderdeel REGF.<br />
De volgende paragrafen geven de doelstellingen van deze vakken en de examinatiewijze die hier<br />
bijhoort weer.<br />
REG1 - doelstellingen:<br />
Voortbouwend op de kennis uit systeemtheorie, de karakteristieke eigenschappen van eerste,<br />
tweede of hogere orde systemen en van systemen met dode tijd weergeven.<br />
De transfertfunctie van alle klassieke continue regelaars (P, PI, PD, PID) weergeven.<br />
Doel en nut van de regelaar motiveren, de invloed van de regelaar op de regelkring aangeven<br />
en uitrekenen, met het oog op een gepaste regelaarskeuze.<br />
Eenvoudige problemen (case studies), i.v.m. stabiliteit, demping, responstijd of<br />
frequentiegedrag van een systeem oplossen.<br />
De werking van verschillende speciale regelstructuren en van een aan/uit regelaar toelichten.<br />
REG1+L - doelstellingen:<br />
Voortbouwend op de kennis uit systeemtheorie, de karakteristieke eigenschappen van eerste,<br />
tweede of hogere orde systemen en van systemen met dode tijd weergeven.<br />
De transfertfunctie van alle klassieke continue regelaars (P, PI, PD, PID) weergeven.<br />
Doel en nut van de regelaar motiveren, de invloed van de regelaar op de regelkring aangeven<br />
en uitrekenen, met het oog op een gepaste regelaarskeuze.<br />
Baeten J.<br />
- iii -
Eenvoudige problemen (case studies), i.v.m. stabiliteit, demping, responstijd of<br />
frequentiegedrag van een systeem oplossen.<br />
De werking van verschillende speciale regelstructuren en van een aan/uit regelaar toelichten.<br />
Eenvoudige regelaars implementeren en afstellen, alsook basis systeemparameters<br />
identificeren uit metingen.<br />
REG11 - doelstellingen:<br />
De transfertfunctie van alle klassieke continue regelaars (P, PI, PD, PID) weergeven.<br />
Doel en nut van de regelaar motiveren, de invloed van de regelaar op de regelkring uitrekenen<br />
om zo een gepaste regelaarskeuze te maken.<br />
Eenvoudige problemen (case studies), i.v.m. stabiliteit, demping, responstijd of<br />
frequentiegedrag van een systeem oplossen .<br />
REG1, REG1+L - examen:<br />
Het examen bestaat uit twee delen. Het eerste deelt peilt in een schriftelijke proef binnen een<br />
beperkt tijdbestek naar de parate kennis over de eigenschappen van een regelkring en van<br />
regelaars aan de hand van een 11-tal korte vragen, hetzij meerkeuze, hetzij open vragen, zonder<br />
gebruik te maken van het formularium of een rekenmachine. Het tweede deel bestaat uit twee<br />
open oefeningen over het ontwerp van een regelkring waarbij formularium en rekenmachine<br />
gebruikt mogen worden. De student verdedigt de schriftelijk voorbereidde oplossingen<br />
mondeling bij de docent.<br />
Voor het vak REG1+L wordt bovendien de eindscore voor 1/3 aangepast met een 'permanente<br />
evaluatie'-factor op basis van aanwezigheid en inzet in het labo.<br />
REG11 - examen:<br />
Het examen bestaat uit drie delen. Het eerste deelt peilt in een schriftelijke proef binnen een<br />
beperkt tijdbestek (zonder formularium of rekenmachine) naar de parate kennis aan de hand van<br />
een 8-tal korte meerkeuze vragen. Het tweede deel, eveneens schriftelijk, bevat open vragen<br />
zoals het tekenen van een Bode-diagram, het berekenen van een tijdrespons of het afleiden van<br />
een Laplace-eigenschap. Het derde deel omvat een ontwerpoefening van een regelkring welke de<br />
student mondeling verdedigt. Bij het 2e en 3e deel mag formularium en rekenmachine gebruikt<br />
worden.<br />
Baeten J.<br />
- iv -
<strong>Inhoudstafel</strong><br />
Positionering van het vak Regeltechniek ..............................................................<br />
ii<br />
Vakdoelstellingen en examinatiewijze ................................................................<br />
iii<br />
<strong>Inhoudstafel</strong> ..........................................................................................<br />
v<br />
Inleiding en motivatie<br />
Sturen versus regelen ...............................................................................<br />
0.1<br />
Continu versus Niet-lineair ..........................................................................<br />
0.2<br />
Analoog versus digitaal ............................................................................<br />
0.2<br />
SISO versus MIMO ................................................................................<br />
0.2<br />
Opbouw van de cursus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....... 0.3<br />
Hoofdstuk 1: Modelvorming<br />
1.1 Blokkendiagrammen .............................................................................<br />
1.1<br />
1.2 De transfertfunctie ................................................................................<br />
1.2<br />
1.3 Bewerkingen op blokkendiagrammen .............................................................<br />
1.4<br />
1.4 Algemene werkwijze .............................................................................<br />
1.5<br />
1.5 Voorbeeld ........................................................................................<br />
1.6<br />
Hoofdstuk 2: De regelkring<br />
2.1 Inleiding .........................................................................................<br />
2.1<br />
2.2 De terugkoppeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 2.1<br />
2.3 De standaardregelkring ...........................................................................<br />
2.2<br />
2.4 Eigenschappen van de regellus ....................................................................<br />
2.4<br />
2.5 De (absolute) stabiliteit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 2.4<br />
2.6 Stabiliteit in het frequentiedomein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 2.6<br />
2.7 De graad van de stabiliteit: Amplitude- en Fazemarge .............................................<br />
2.9<br />
2.8 De statische nauwkeurigheid ....................................................................<br />
2.13<br />
De standfout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... 2.13<br />
De volgfout ...............................................................................<br />
2.16<br />
De versnellingsfout .......................................................................<br />
2.16<br />
Samenvatting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... 2.17<br />
2.9 Ruisonderdrukking (dynamische nauwkeurigheid) ..............................................<br />
2.18<br />
2.10 De snelheid van de regeling ...................................................................<br />
2.20<br />
2.11 Besluit ........................................................................................<br />
2.21<br />
Baeten J.<br />
- v -
Hoofdstuk 3: Het wortellijnendiagram<br />
3.1 Inleiding .........................................................................................<br />
3.1<br />
3.2 Voorbeeld: Analytische berekening van de polen ..................................................<br />
3.2<br />
3.3 Constructieregels .................................................................................<br />
3.3<br />
Definities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 3.3<br />
Modulus- en hoekvoorwaarde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 3.5<br />
Aantal takken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 3.6<br />
Beginpunten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 3.6<br />
Eindpunten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 3.6<br />
Takken op de reële as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 3.6<br />
Asymptotische richting .....................................................................<br />
3.7<br />
Breekpunten bij samenvallende polen of nulpunten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 3.7<br />
Hoek van vertrek ...........................................................................<br />
3.8<br />
3.4 Eigenschappen ...................................................................................<br />
3.9<br />
Stabiliteit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 3.9<br />
Voldoende demping (relatieve stabiliteit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 3.9<br />
Natuurlijke eigenpulsatie w n<br />
..............................................................<br />
3.11<br />
Gedempte eigenpulsatie w p<br />
...............................................................<br />
3.11<br />
'Settling' tijd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... 3.11<br />
Hoofdstuk 4: De klassieke regelaars<br />
4.1 De proportionele regelaar of P-regelaar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 4.1<br />
4.2 De integrerende regelaar of I-regelaar .............................................................<br />
4.3<br />
4.3 De proportioneel-integrerende regelaar of PI-regelaar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 4.5<br />
Voorbeeld 1 ................................................................................<br />
4.6<br />
Voorbeeld 2 ..............................................................................<br />
4.11<br />
4.4 De differentiërende actie of D-actie .............................................................<br />
4.13<br />
4.5 De proportioneel-differentiërende regelaar PD-regelaar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... 4.14<br />
4.6 De PID-regelaar ................................................................................<br />
4.15<br />
Hoofdstuk 5: Voorbeelden - Toepassingen<br />
5.1 Inleiding .........................................................................................<br />
5.1<br />
5.2 Oefening 1: Drukregeling met manometer en hydraulische servomotor ............................<br />
5.1<br />
5.2.1 Beschrijving van het regelsysteem ....................................................<br />
5.1<br />
5.2.2 Oplossing ............................................................................<br />
5.3<br />
5.2.3 De totale regelkring ..................................................................<br />
5.5<br />
5.2.4 Opgave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 5.5<br />
5.2.5 Oplossingen ..........................................................................<br />
5.6<br />
5.3 Oefening 2: Positionering via veldgestuurde DC-motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 5.7<br />
5.3.1 Gegevens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 5.7<br />
Baeten J.<br />
- vi -
5.3.2 Gevraagd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 5.7<br />
5.3.3 Oplossing ............................................................................<br />
5.8<br />
5.4 Ontwerp van een PI-regelaar ...................................................................<br />
5.11<br />
5.4.1 Opgave en werkwijze ...............................................................<br />
5.11<br />
5.4.2 Voorbeeld ..........................................................................<br />
5.11<br />
5.5 Verband FM en resonantiepiek van gesloten systeem ...........................................<br />
5.12<br />
5.6 De ankergestuurde DC-motor ..................................................................<br />
5.13<br />
5.7 Elektrisch-pneumatische omvormer ............................................................<br />
5.16<br />
Hoofdstuk 6: Systeemidentificatie en Regelaarsinstelling<br />
6.1 Inleiding .........................................................................................<br />
6.1<br />
6.2 Identificatie volgens Ziegler/Nichols, Instelling volgens Chien, Hrones en Reswick . . . . . ..............<br />
6.3 Identificatie en instelling volgens Strejc ..............................................................<br />
6.4 Het bedragsoptimum .............................................................................<br />
6.2<br />
6.5 Symmetrisch optimum ...........................................................................<br />
6.5<br />
6.6 Samenvatting bedragsoptimum en symmetrisch optimum .........................................<br />
6.8<br />
Hoofdstuk 7: Speciale Regelstructuren<br />
7.1 Inleiding .........................................................................................<br />
7.1<br />
7.2 Cascaderegeling .................................................................................<br />
7.1<br />
7.3 Verhoudingsregeling .............................................................................<br />
7.3<br />
7.4 'Split-range'-regeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 7.3<br />
7.5 Adaptieve regeling ...............................................................................<br />
7.4<br />
7.6 Regeling met voorwaartse koppeling (Eng.: Feed forward') .......................................<br />
7.6<br />
7.7 De corrector van Smith: Regeling van processen met een aanzienlijke dode tijd. . . . . . . . . . . ........ 7.9<br />
Hoofdstuk 8: Niet-lineaire Regeltechniek - Aan-uit Regelaars<br />
8.1 Niet-lineaire elementen ..........................................................................<br />
8.1<br />
8.1.1 Inleiding .............................................................................<br />
8.1<br />
8.1.2 Soorten niet-lineariteiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 8.2<br />
8.1.3 Herleiden van de blokschema's .......................................................<br />
8.4<br />
8.1.4 Stabiliteit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 8.5<br />
8.2 De fasevlakmethode .............................................................................<br />
8.6<br />
8.2.1 Algemeen ............................................................................<br />
8.6<br />
8.2.2 Invloed van het aan-uit element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 8.8<br />
8.2.3 De limietcyclus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 8.9<br />
8.2.4 Voorbeeld ..........................................................................<br />
8.10<br />
8.3 De beschrijvende-functiemethode ..............................................................<br />
8.12<br />
8.3.1 Algemeenheden ....................................................................<br />
8.12<br />
Baeten J.<br />
- vii -
8.3.2 Berekening van de beschrijvende-functie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... 8.13<br />
8.3.3 Stabiliteit van een teruggekoppeld systeem met niet-lineariteit . . . . . . . . . . . . . . . . ...... 8.16<br />
8.3.4 Voorbeeld ..........................................................................<br />
8.18<br />
8.3.5 Beperkingen .......................................................................<br />
8.19<br />
8.4 Simulatie ......................................................................................<br />
8.20<br />
8.5 Temperatuurregeling met Aan/Uit regelaar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... 8.21<br />
8.5.1 De gegevens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... 8.21<br />
8.5.2 Analyse ............................................................................<br />
8.21<br />
8.5.3 Oplossing met fasevlakmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... 8.23<br />
8.5.4 Oplossing met de beschrijvende-functiemethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... 8.25<br />
8.5.5 Oplossing door simulatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... 8.27<br />
8.6 Besluit .........................................................................................<br />
8.29<br />
Appendix A: Elektronische uitvoeringen<br />
Appendix B: M- en N-cirkels<br />
Lijst van de meest gebruikte symbolen<br />
Formularium<br />
Bibliografie<br />
Baeten J.<br />
- viii -