SIMC-viritystyökalu Matlabille
Kukkonen, Noora (2020)
2020
Teknisten tieteiden kandidaattiohjelma - Degree Programme in Engineering 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
2020-05-18
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004304773
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004304773
Tiivistelmä
PID-säädin on säätötekniikassa yksi yleisimmin käytetyistä säätöalgoritmeista. Kuitenkin nämä säätimet ovat usein huonosti viritettyjä ja näin ollen aiheuttavat järjestelmässä esimerkiksi epätoivottua ylitystä askelvasteeseen tai heikkoa häiriövastetta. Tässä työssä tarkastellaan PIDsäätimelle kehitettyä SIMC-viritysmenetelmää ja toteutetaan kyseiselle menetelmälle viritystyökalu Matlab-ohjelmistolla.
Ennen kuin työssä käsitellään SIMC-viritysmenetelmään, tutkitaan PID-säädintä. Työssä käydään läpi säätimen rakennetta ja sitä, miten eri säätimen osat vaikuttavat järjestelmän vasteeseen. Lisäksi käydään läpi erilaisia esitystapoja PID-säätimelle. PID-säätimen viritystä käydään myös yleisesti läpi. Tämän jälkeen esitetään viritysmetodista esimerkkinä Ziegler– Nichols -viritysmenetelmä, joka on esimerkiksi prosessiteollisuudessa yleisesti käytetty viritysmenetelmä sen yksinkertaisuutensa vuoksi.
PID-säätimen teoriaosuuden jälkeen käsitellään SIMC-viritysmenetelmää. Sigurd Skogestadin kehitti vuonna 2001 viritysmenetelmän, joka nimettiin SIMC-metodiksi. SIMC-viritysmetodi on kaksiosainen. Ensimmäisessä osassa tehdään järjestelmästä approksimaatiomalli ja toisessa osassa lasketaan PID-säätimelle viritysparametrit. Järjestelmän approksimaation voi tehdä joko kokeellisesti tai järjestelmän siirtofunktiosta. Siirtofunktiosta tehtävälle approksimaatiolle on omat kaavansa ja sille on tiettyjä rajoitteita, joihin perehdytään työssä tarkemmin. Kokeellisesti approksimaatio voidaan tehdä järjestelmän avoimesta- tai suljetusta vasteesta. Approksimaatioksi saadaan ensimmäisen- tai toisen kertaluokan siirtofunktio, josta voidaan laskea PID-säätimelle viritysparametrit työssä esiteltävien kaavojen avulla. Parametrit lasketaan PID-säätimen kaskadiesitysmuodolle, joka pitää ottaa huomioon PID-säätimen parametrejä käytettäessä.
Tässä työssä on tehty teorian tarkastelun lisäksi Matlab-ohjelmalla työkalu, joka laskee viritysparametrit PID-säätimelle automaattisesti SIMC-viritysmenetelmän muokaisesti. Työkalua ohjelmoitaessa on tehty valinta niin, että SIMC-virityksen ensimmäinen osa eli approksimaatio tehdään vain järjestelmän siirtofunktiosta eikä kokeellisesti vasteesta laskettavaa approksimaatiota voida tällä työkalulla laskea ollenkaan. Järjestelmän siirtofunktion parametrit syötetään työkalulle komentokehotteen kautta, joka toimii myös työkalun käyttöliittymänä. Työssä myös esitetään kaksi esimerkkitapausta työkalun käytöstä.
Ennen kuin työssä käsitellään SIMC-viritysmenetelmään, tutkitaan PID-säädintä. Työssä käydään läpi säätimen rakennetta ja sitä, miten eri säätimen osat vaikuttavat järjestelmän vasteeseen. Lisäksi käydään läpi erilaisia esitystapoja PID-säätimelle. PID-säätimen viritystä käydään myös yleisesti läpi. Tämän jälkeen esitetään viritysmetodista esimerkkinä Ziegler– Nichols -viritysmenetelmä, joka on esimerkiksi prosessiteollisuudessa yleisesti käytetty viritysmenetelmä sen yksinkertaisuutensa vuoksi.
PID-säätimen teoriaosuuden jälkeen käsitellään SIMC-viritysmenetelmää. Sigurd Skogestadin kehitti vuonna 2001 viritysmenetelmän, joka nimettiin SIMC-metodiksi. SIMC-viritysmetodi on kaksiosainen. Ensimmäisessä osassa tehdään järjestelmästä approksimaatiomalli ja toisessa osassa lasketaan PID-säätimelle viritysparametrit. Järjestelmän approksimaation voi tehdä joko kokeellisesti tai järjestelmän siirtofunktiosta. Siirtofunktiosta tehtävälle approksimaatiolle on omat kaavansa ja sille on tiettyjä rajoitteita, joihin perehdytään työssä tarkemmin. Kokeellisesti approksimaatio voidaan tehdä järjestelmän avoimesta- tai suljetusta vasteesta. Approksimaatioksi saadaan ensimmäisen- tai toisen kertaluokan siirtofunktio, josta voidaan laskea PID-säätimelle viritysparametrit työssä esiteltävien kaavojen avulla. Parametrit lasketaan PID-säätimen kaskadiesitysmuodolle, joka pitää ottaa huomioon PID-säätimen parametrejä käytettäessä.
Tässä työssä on tehty teorian tarkastelun lisäksi Matlab-ohjelmalla työkalu, joka laskee viritysparametrit PID-säätimelle automaattisesti SIMC-viritysmenetelmän muokaisesti. Työkalua ohjelmoitaessa on tehty valinta niin, että SIMC-virityksen ensimmäinen osa eli approksimaatio tehdään vain järjestelmän siirtofunktiosta eikä kokeellisesti vasteesta laskettavaa approksimaatiota voida tällä työkalulla laskea ollenkaan. Järjestelmän siirtofunktion parametrit syötetään työkalulle komentokehotteen kautta, joka toimii myös työkalun käyttöliittymänä. Työssä myös esitetään kaksi esimerkkitapausta työkalun käytöstä.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [9041]