Implementacja Algorytmów Sterowania

(pieczęć wydziału)
KARTA PRZEDMIOTU
1. Nazwa przedmiotu: IMPLEMENTACJA ALGORYTMÓW
2. Kod przedmiotu:
STEROWANIA
3. Karta przedmiotu ważna od roku akademickiego: 2012/2013
4. Forma kształcenia: studia drugiego stopnia
5. Forma studiów: studia stacjonarne
6. Kierunek studiów: AUTOMATYKA I ROBOTYKA; WYDZIAŁ AEiI
7. Profil studiów: ogólnoakademicki
8. Specjalność: Automatyka
9. Semestr: 2
10. Jednostka prowadząca przedmiot: Instytut Automatyki, RAu1
11. Prowadzący przedmiot: Dr hab. inż. Jacek Czeczot, Prof. Nzw. w Pol. Śl.
12. Przynależność do grupy przedmiotów:
przedmioty specjalnościowe
13. Status przedmiotu: wybieralny
14. Język prowadzenia zajęć: polski, angielski (dotyczy 15h wykładu)
15. Przedmioty wprowadzające oraz wymagania wstępne: Metody numeryczne, Dynamika procesów,
Podstawy automatyki, Podstawy teorii sterowania, Identyfikacja procesów. Zakłada się, że przed rozpoczęciem
nauki niniejszego przedmiotu student posiada przygotowanie w zakresie tworzenia fizykalnych modeli statycznych i
dynamicznych dla procesów technologicznych w oparciu o zasady zachowania masy i energii, linearyzacji tych
modeli i przedstawiania ich w postaci funkcji przejścia o parametrach zależnych od fizykalnych parametrów
procesu. Zakłada się umiejętność praktycznej identyfikacji prostych charakterystyk dynamicznych i statycznych z
elementami aproksymacji i interpolacji, znajomość elementarnych struktur regulacji, znajomość struktury, zasady
działania i strojenia konwencjonalnego regulatora PID, znajomość kryteriów oceny jakości regulacji.
16. Cel przedmiotu: Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów ze złożonymi strukturami układów regulacji
oraz algorytmami sterowania najczęściej stosowanymi w praktyce przemysłowej. Nacisk kładzie się na praktyczną
implementację tych algorytmów z uwzględnieniem zabezpieczeń. Omawia się sposób doboru nastaw na podstawie
zebranych danych pomiarowych. Poza standardowymi algorytmami (PID, dwupołożeniowy, trójpołożeniowy,
krokowy) przedstawia się także wybrane, zaawansowane algorytmy sterowania. Omawia się także dodatkowe
funkcje występujące w blokach funkcyjnych umożliwiających implementację regulatorów w sterownikach PLC.
17. Efekty kształcenia:
Nr
Opis efektu kształcenia
Metoda
sprawdzenia
efektu
kształcenia
Forma
Odniesienie
prowadzenia do efektów
zajęć
dla kierunku
studiów
W1
Zna znaczenie elementów praktycznego układu regulacji
oraz ich wpływ na jakość regulacji
SP, OS
WT, L
W2
Zna sposoby identyfikacji parametrów uproszczonych
modeli statycznych i dynamicznych oraz sposób ich
wykorzystania do poprawy jakości regulacji.
Zna sposoby poprawy jakości regulacji poprzez
zastosowanie złożonych struktur układu regulacji i/lub
zaawansowanych algorytmów sterowania.
SP, CL, OS
WT, L
SP, CL, OS
WT, L
Zna dodatkowe funkcje regulatorów przemysłowych
pozwalające na implementację praktyczną oraz na
zabezpieczenie układu regulacji na wypadek awarii.
Potrafi określić warunki przeprowadzenia praktycznego
eksperymentu identyfikacyjnego oraz wyznaczyć
CL, OS
WT, L
SP, CL, OS
WT, L
W3
W4
U1
K_W2/1;
W6/2;W20/1;
W21/1;
K_W10/2;
W11/1;
W13/2;
K_W3/2;
W10/3;
W14/3;
W17/2
K_W22/2
K_U1/2;
U2/2; U3/2;
charakterystyki statyczne i dynamiczne rzeczywistego
obiektu sterowania.
U2
Potrafi właściwie dobrać strukturę układu regulacji oraz typ
i nastawy regulatora.
U3
Posiada umiejętności oceny jakości pracy rzeczywistego
układu regulacji ze wskazaniem ewentualnych przyczyn
nieprawidłowości oraz sposobu ich usunięcia.
U4
Potrafi implementować konwencjonalne i zaawansowane
algorytmy regulacji w urządzeniach PLC.
K1
Potrafi samodzielnie podejmować decyzje dotyczące
najlepszych rozwiązań w zakresie praktycznej
implementacji układów sterowania.
K2
Potrafi zaprezentować i obronić zaproponowane
rozwiązanie konstrukcyjne
18. Formy zajęć dydaktycznych i ich wymiar (liczba godzin)
W. : 30
U14/1
SP, CL, OS
WT, L
K_U23/2
CL, OS
WT, L
K_U7/2;
U23/2; U25/2
CL
WT, L
K_U7/2;U9/1
CL, OS
WT, L
OS, CL
L
K_K1/1;
K2/1; K4/2;
K6/1;
K_K2/1/;
K7/2
L.: 30
19. Treści kształcenia:
Wykład
1. Wprowadzenie do przedmiotu: podstawowe pojęcia związane z praktyczną implementacją algorytmów
sterowania.
2. Klasyfikacja układów regulacji; kryteria wyboru toru sterowania.
3. Adaptacja; samonastrajanie; złożone struktury regulacyjne: regulacja kaskadowa, regulacja stosunku, regulacja
krokowa; działanie feed-forward; regulacja wielowymiarowa.
4. Ograniczenia dla wymagań stawianych układowi regulacji wynikające z własności statycznych i dynamicznych
obiektu oraz urządzeń wykonawczych.
5. Standartowe algorytmy sterowania: Regulacja dwupołożeniowa (z uwzględnieniem regulacji impulsem o
modulowanej szerokości PWM), Regulacja trójpołożeniowa, Regulacja ciągła PID, Regulacja krokowa.
6. Praktyczne aspekty wykorzystania standardowych algorytmów sterowania (P, PI, PID, dwupołożeniowy,
trójpołożeniowy, itp.); standardy algorytmu PID (ISA, równoległy, szeregowo-równoległy); praktyczne metody
strojenia układu regulacji z wybranym regulatorem.
7. Cyfrowa postać algorytmu PID; uwzględnienie: ograniczenia sygnału wyjściowego, ograniczenia całkowania i
bezuderzeniowego przełączania; zabezpieczenia w układach regulacji.
8. Zasady przeprowadzania eksperymentów mających na celu identyfikację własności dynamicznych obiektu;
wpływ szumów pomiarowych; niepewność związana z sygnałem pomiarowym; wpływ dynamiki organu
wykonawczego.
9. Aproksymacja i interpolacja charakterystyk statycznych i dynamicznych na podstawie danych pomiarowych
uzyskanych przy pomocy eksperymentu identyfikacyjnego.
10. Zasady implementacji techniki gain scheduling w oparciu o charakterystyki statyczne i dynamiczne obiektów
sterowania.
11. Zasady tworzenia korektorów liniowych i nieliniowych, sterowanie w pętli otwartej bazujące na fizykalnym
modelu procesu.
12. Ogólne omówienie dodatkowych funkcji występujących w gotowych modułach PID dostępnych w popularnych
sterownikach programowanych (SIPART DR24, SIMATIC S7, itp.).
13. .Podstawowe pojęcia związane z uproszczonym modelowaniem fizykalnym, model w postaci afinicznej,
niestacjonarność modelu jako sposób uwzględniania nieliniowości w opisie liniowym.
14. Ogólne zasady tworzenia regulatorów typu model-based.
15. Ogólna zasada tworzenia regulatorów predykcyjnych, pojęcia związane z regulacją predykcyjną: trajektoria
odniesienia, horyzont predykcji, horyzont sterowania, zasada repetycji.
16. Zagadnienia implementacji prostych algorytmów typu model-based: algorytm PMBC (Process Model-Based
Control), sterowanie linearyzujące, algorytm PFC (Predictive Functional Control). Wady i zalety tych
algorytmów sterowania.
17. .Adaptacja oraz całkowanie jako sposoby likwidacji uchybu statycznego w algorytmach typu model-based:
algorytm GMC (Generic Model Control) oraz B-BAC (Balance-Based Adaptive Control).
18. Perspektywy rozwoju zaawansowanych algorytmów regulacji, ograniczenia wynikające z konieczności
praktycznej implementacji takich algorytmów.
Zajęcia laboratoryjne
Program ćwiczeń laboratoryjnych jest ściśle związany z tematyką wykładu i obejmuje najważniejsze zagadnienia
związane z praktyczną implementacją prostych i złożonych układów regulacji.
Ze względu na specyfikę prowadzonych zajęć laboratoryjnych odbywają się one w 4 blokach. Każdy blok
poświęcony jest pracy z jedną instalacją pilotażową i składa się z 3 spotkań. Daje to w sumie 12 terminów spotkań
dla każdej sekcji. Dodatkowo zajęcia laboratoryjne poprzedzone będą wprowadzeniem omawiającym specyfikę
instalacji oraz obiektu sterowania. Przed każdym blokiem studenci powinni opanować określony zakres wiedzy
omawianej w ramach wykładu z niniejszego przedmiotu. Do każdego bloku przygotowana jest także instrukcja
laboratoryjna ułatwiająca studentom opanowanie wymaganego zakresu wiedzy.
Lista bloków z przyporządkowaniem ich do konkretnych instalacji:
1. Blok 1: Sterowanie procesem neutralizacji (identyfikacja charakterystyki statycznej i dynamicznej obiektu,
implementacja regulatora PID w bloku funkcyjnym sterownika PLC, implementacja techniki gain-scheduling,
implementacja algorytmu GMC).
2. Blok 2: Sterowanie procesami nagrzewania, cz. 1 (identyfikacja charakterystyki statycznej i dynamicznej
obiektu, implementacja jednopętlowego układu regulacji, strojenie regulatorów P, PI, wyznaczanie wartości
podporowej, korekcja nieliniowa, algorytm B-BAC).
3. Blok 3: Sterowanie obiektami hydraulicznymi (identyfikacja charakterystyki statycznej i dynamicznej obiektu,
implementacja układu regulacji nieliniowej, strojenie układu regulacji z obiektem całkującym, implementacja
techniki gain-scheduling, sterowanie zaworem).
4. Blok 4: Sterowanie procesami nagrzewania, cz. 2 (implementacja algorytmu predykcyjnego PFC, strojenie tego
algorytmu, korekcja od zakłóceń).
Praca podczas każdego z bloków przebiegać będzie zgodnie z takim samym planem:
a) Zapoznanie się z obiektem technologicznym, zebranie danych pomiarowych dla celów identyfikacji.
b) Implementacja wybranych algorytmów sterowania, strojenie pętli regulacji.
c) Weryfikacja uzyskanej jakości sterowania w oparciu o dane pomiarowe.
d) Dyskusja możliwości poprawy jakości regulacji przez zastosowanie odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych.
e) Przygotowanie i obrona sprawozdania.
20. Egzamin: nie.
21. Literatura podstawowa:
1. Kuźnik J., „Regulatory i układy regulacji”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2002.
2. Pułaczewski J., Podstawy teoretyczne regulacji”, WSiP, 1975.
3. Tatjewski P., „Sterowanie zaawansowane obiektów przemysłowych”, Wydawnictwo Exit, 2002.
22. Literatura uzupełniająca:
1. Bastin G., Dochain D., „On-line estimation and adaptive control of bioreactors”, Elsevier, 1990, egzemplarz
dostępny u prowadzącego.
2. Luyben W.L., “Process modeling, simulation, and control for chemical engineers”, McGraw-Hill, 1973,
egzemplarz dostępny u prowadzącego.
3. Niederliński A., Mościński J., Ogonowski Z., „Regulacja adaptacyjna”, Wydawnictwo Naukowe PWN, 1995.
4. Goodwin G.C., Graebe S.F., Salgado M.E.: Control Systems Design, Prentice Hall, 2001
23. Nakład pracy studenta potrzebny do osiągnięcia efektów kształcenia
Lp.
Forma zajęć
1
Wykład
2
Ćwiczenia
3
Laboratorium
4
Projekt
0/0
5
Seminarium
0/0
6
Inne
0/0
Suma godzin
Liczba godzin
kontaktowych / pracy studenta
30/0
0/0
30/30
60/30
24. Suma wszystkich godzin: 90
25. Liczba punktów ECTS: 3
26. Liczba punktów ECTS uzyskanych na zajęciach z bezpośrednim udziałem nauczyciela akademickiego: 2
27. Liczba punktów ECTS uzyskanych na zajęciach o charakterze praktycznym (laboratoria, projekty): 2
26. Uwagi:
Zatwierdzono:
…………………………….
…………………………………………………
(data i podpis prowadzącego)
(data i podpis dyrektora instytutu/kierownika katedry/
Dyrektora Kolegium Języków Obcych/kierownika lub
dyrektora jednostki międzywydziałowej)