Sylinterin nopeussäätö materiaalinkäsittelykoneen puomin kuorman nostossa
Räsänen, Markus (2021)
2021
Automaatiotekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Automation Engineering
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
2021-05-06
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202104273694
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202104273694
Tiivistelmä
Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella nopeussäätöpiiri materiaalinkäsittelykoneen nostopuomin sylinterin positiiviselle liikesuunnalle eli kuorman nostolle. Tarkasteltavan järjestelmän säädön suunnittelua ja analysointia varten kehitettiin lineaarinen aikainvariantti tilaesitys, joka mahdollistaa LTI-järjestelmien säätöteorian hyödyntämisen. Tilaesitys koostui tilamuuttujista, joiden arvo riippui järjestelmään tulevista ohjaussignaaleista ja järjestelmän dynamiikkaa kuvaavista aikamuuttuvista ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä. Työssä tutkittiin myös MATLAB/Simulink-ohjelman soveltuvuutta työkaluna osaksi nykyistä ohjausjärjestelmäsuunnittelua.
Säädön suunnittelun menetelminä käytettiin suljetun järjestelmän askel- ja impulssivastetta sekä asetusarvoradan seurantaa. Lisäksi suljetun järjestelmän stabiiliutta tarkasteltiin avoimen järjestelmän Bode-diagrammilla. Näiden menetelmien avulla säätöalgoritmia kehitettiin, jotta järjestelmä vastaisi asetettuja suorituskykyvaatimuksia. Säätöalgoritmin kehitys aloitettiin PID-säätimellä, joka on yleisin teollisuudessa käytettävä säätöalgoritmi. Kyseinen säädin aiheutti kuitenkin nopeuden jättämää asetusarvoradan seurannassa, joten säätimeen lisättiin nopeuden myötäkytkentähaara ja säätimen rakenteeksi muotoutui FPID-säädin. Nopeuden jättämä saatiin korjattua, mutta järjestelmään haluttiin lisää vielä vaimennusta. Säätöpiirin lisättiin dynaaminen voimatakaisinkytkentä, jolloin se vaimensi paremmin ulkoisia häiriöitä. Säätimen rakenne sai muodon FPIDF-säädin.
Kun säädön suunnittelu oli tehty MATLAB/Simulink-ohjelmalla, järjestelmä verifioitiin ja nopeussäätöpiiri testattiin Mevea Simulation Software -ohjelmistolla toteutetulla simulaattorilla. Ohjelmien välinen rajapinta toimi saumattomasti mahdollistaen reaaliaikaisen yhteyden ja tiedonsiirron. Tutkimustulokseksi saatiin, että nopeuden myötäkytkennän ja dynaamisen voimata-kaisinkytkennän sisältävä FPIDF-säädin on kykeneväinen säätämään nostopuomin sylinterin nopeutta tarkasti riippumatta hitaasti muuttuvasta dynaamisesta kuormavoimasta. Lisäksi MATLAB/Simulink-ohjelman ominaisuudet modernin säätötekniikan analysoinnissa ja suunnittelussa, sekä sen ulkoisen käyttöliittymän toiminta Mevea-ohjelman kanssa osoittivat sen hyvän soveltuvuuden osaksi nykyistä ohjausjärjestelmäsuunnittelua.
Säädön suunnittelun menetelminä käytettiin suljetun järjestelmän askel- ja impulssivastetta sekä asetusarvoradan seurantaa. Lisäksi suljetun järjestelmän stabiiliutta tarkasteltiin avoimen järjestelmän Bode-diagrammilla. Näiden menetelmien avulla säätöalgoritmia kehitettiin, jotta järjestelmä vastaisi asetettuja suorituskykyvaatimuksia. Säätöalgoritmin kehitys aloitettiin PID-säätimellä, joka on yleisin teollisuudessa käytettävä säätöalgoritmi. Kyseinen säädin aiheutti kuitenkin nopeuden jättämää asetusarvoradan seurannassa, joten säätimeen lisättiin nopeuden myötäkytkentähaara ja säätimen rakenteeksi muotoutui FPID-säädin. Nopeuden jättämä saatiin korjattua, mutta järjestelmään haluttiin lisää vielä vaimennusta. Säätöpiirin lisättiin dynaaminen voimatakaisinkytkentä, jolloin se vaimensi paremmin ulkoisia häiriöitä. Säätimen rakenne sai muodon FPIDF-säädin.
Kun säädön suunnittelu oli tehty MATLAB/Simulink-ohjelmalla, järjestelmä verifioitiin ja nopeussäätöpiiri testattiin Mevea Simulation Software -ohjelmistolla toteutetulla simulaattorilla. Ohjelmien välinen rajapinta toimi saumattomasti mahdollistaen reaaliaikaisen yhteyden ja tiedonsiirron. Tutkimustulokseksi saatiin, että nopeuden myötäkytkennän ja dynaamisen voimata-kaisinkytkennän sisältävä FPIDF-säädin on kykeneväinen säätämään nostopuomin sylinterin nopeutta tarkasti riippumatta hitaasti muuttuvasta dynaamisesta kuormavoimasta. Lisäksi MATLAB/Simulink-ohjelman ominaisuudet modernin säätötekniikan analysoinnissa ja suunnittelussa, sekä sen ulkoisen käyttöliittymän toiminta Mevea-ohjelman kanssa osoittivat sen hyvän soveltuvuuden osaksi nykyistä ohjausjärjestelmäsuunnittelua.