Kääntöheilurin tilasäätö
Räsänen, Tomi (2020)
2020
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Degree Programme in Engineering and Natural Sciences, BSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-05-08
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004273936
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004273936
Tiivistelmä
Lineaarisen aikariippumattoman (eng. Linear Time-Invariant, LTI) tilamallin tilasäätö on systeemien ohjauksessa käytetty menetelmä, joka perustuu lineaarialgebran soveltamiseen. Työssä suunnitellaan Quanser Qube-Servo 2 -järjestelmälle tilasäätäjä, jolla stabiloidaan kääntöheilurisysteemin heilurivarsi yläasentoon sekä säädetään moottorissa kiinni olevan kääntövarren asentoa. Säädön suunnittelussa huomioidaan moottorin fysikaalisia rajoituksia kuten käytettävissä oleva ohjausjännite. Tuloksena saadaan erilaisia säädinratkaisuja riippuen käytetystä suunnittelumenetelmästä. Kääntöheilurisysteemin säädölle aiheuttavat haasteita fysikaalisen systeemin epälinearisuus, epästabiilisuus liian pienillä tai suurilla vahvistusten arvoilla sekä systeemin ei-minimivaiheisuus.
Tilasäädin viritetään sekä napojen asettelumenetelmällä että optimointiin perustuvalla LQR-säätöteorialla (eng. Linear-Quadratic Regulator, LQR). Tilasäätäjän virittämisen, säätöpiirin teoreettisen tarkastelun ja simuloinnin mahdollistamiseksi järjestelmästä luodaan LTI-tilamalli. Tilatakaisinkytkennässä tilamuuttujina käytetään fyysisestä systeemistä saatuja kulmien mittauksia sekä kulmista suotimilla laskettuja estimaatteja. Heilurivarren kääntymiskulmalle sekä sisäänmenojännitteelle asetettujen vaatimusmäärittelyiden toteuttavan säätimen suunnittelussa on käytetty teoreettisten tulosten lisäksi Matlab sekä Simulink -ohjelmistojen toimintoja.
Työn tuloksena saadaan neljä simulointiympäristössä toimivaa ratkaisua, joita analysoidaan saatujen vasteiden perusteella. Tästä huolimatta simulointujen säädinten liittäminen fyysiseen systeemiin tuottaa ongelmia ja jokaisen säätimen kohdalla esiintyy epästabiilisuuksia. Syitä epästabiilisuuksiin tutkitaan napojen paikkojen sekä ei-minivaiheisuuden aiheuttamien ominaisuuksien avulla. Kehittämismahdollisuuksia kääntöheilurisysteemin tilasäädön suunnittelulle ovat esimerkiksi estimaattoreina käytettyjen suodinten vaikutusten tarkempi huomioon ottaminen ja suhteellisen stabiilisuuden analysoiminen. Edellisten lisäksi LQG-säätöteorian soveltaminen sekä myös systeemin nollien syvällisempi tutkimus voisi soveltua hyvin jatkotutkimuksen aiheeksi. Työssä käsiteltyä kääntöheilurisysteemin stabilointia voidaan hyödyntää esitellyn sovelluskohteen lisäksi esimerkiksi lentävän kääntöheilurisysteemin tapauksessa.
Tilasäädin viritetään sekä napojen asettelumenetelmällä että optimointiin perustuvalla LQR-säätöteorialla (eng. Linear-Quadratic Regulator, LQR). Tilasäätäjän virittämisen, säätöpiirin teoreettisen tarkastelun ja simuloinnin mahdollistamiseksi järjestelmästä luodaan LTI-tilamalli. Tilatakaisinkytkennässä tilamuuttujina käytetään fyysisestä systeemistä saatuja kulmien mittauksia sekä kulmista suotimilla laskettuja estimaatteja. Heilurivarren kääntymiskulmalle sekä sisäänmenojännitteelle asetettujen vaatimusmäärittelyiden toteuttavan säätimen suunnittelussa on käytetty teoreettisten tulosten lisäksi Matlab sekä Simulink -ohjelmistojen toimintoja.
Työn tuloksena saadaan neljä simulointiympäristössä toimivaa ratkaisua, joita analysoidaan saatujen vasteiden perusteella. Tästä huolimatta simulointujen säädinten liittäminen fyysiseen systeemiin tuottaa ongelmia ja jokaisen säätimen kohdalla esiintyy epästabiilisuuksia. Syitä epästabiilisuuksiin tutkitaan napojen paikkojen sekä ei-minivaiheisuuden aiheuttamien ominaisuuksien avulla. Kehittämismahdollisuuksia kääntöheilurisysteemin tilasäädön suunnittelulle ovat esimerkiksi estimaattoreina käytettyjen suodinten vaikutusten tarkempi huomioon ottaminen ja suhteellisen stabiilisuuden analysoiminen. Edellisten lisäksi LQG-säätöteorian soveltaminen sekä myös systeemin nollien syvällisempi tutkimus voisi soveltua hyvin jatkotutkimuksen aiheeksi. Työssä käsiteltyä kääntöheilurisysteemin stabilointia voidaan hyödyntää esitellyn sovelluskohteen lisäksi esimerkiksi lentävän kääntöheilurisysteemin tapauksessa.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8918]