Kääntöheilurin estimaattoripohjaisen tilasäädön ja PD-säädön suorituskykyvertailu

Abstract

Kääntöheilurit ovat tasapainosysteemien sovelluksia, joita käytetään säätötekniikassa uusien säätöalgoritmien testaamiseen. Hankalia säätökohteita kääntöheilureista tekevät niiden luonnollinen epästabiilius yläasennossa sekä niiden epälineaarisuudet.

Tässä työssä suunnitellaan yläasentoon linearisoidulle kääntöheiluri-kärrysysteemille sekä estimaattoripohjainen tilatakaisinkytketty säätö että PD (Proportional-Integral) -säätö pohjautuen tilasäädön säätölakiin. Kääntöheiluri-kärrysysteemi on SITO (Single-Input, Two-Output) -systeemi, jossa ohjataan kärryn paikkaa kärryyn kohdistuvalla voimalla siten, että heilurin kulma pidetään mahdollisimman lähellä yläasennon nollakulmaa. Täyden tilan tilatakaisinkytkentä ja täyden tilan tilaestimaattori suunnitellaan napojen asettelumenetelmällä. Tilasäädön säätölain pohjalta muodostetaan sen jälkeen kaksi PD-säädintä sisältävä säätöjärjestelmä, jossa on yksi PD-säädin kummallekin ulostulolle.

Suunnittelun tuloksena saadaan kaksi simulointiympäristössä hyvin toimivaa säätöjärjestelmää. Kummankin säätöjärjestelmän suorituskykyä tutkitaan neljästä eri näkökulmasta. Ensiksi vertaillaan ulostulojen vasteita kärryn paikan askelmaisella muutoksella sekä vasteita, kun kulmaan tulee hetkellinen impulssimainen häiriö. Sen jälkeen tutkitaan edeltävien tilanteiden aiheuttamia ohjausarvoja, ja viimeisenä mittauskohinan vaikutusta säätöjärjestelmiin.

Simulointien tuloksina saatavat vasteet ovat monessa tapauksessa hyvin samankaltaiset. Simulointien perusteella asetusarvomuutoksissa PD-säädetyllä järjestelmällä on hieman pienemmät nousu- ja asettumisajat. Kulmaan tulevan häiriön tapauksessa tilasäätö poistaa häiriön vaikutuksen nopeammin kulman vasteesta ja PD-säätö paikan vasteesta. Mittauskohina vaikuttaa huomattavasti vähemmän tilasäädettyyn järjestelmään. Yhteenvetona voidaan todeta molempien säätöjärjestelmien toimivan hyvin kaikissa testatuissa tapauksissa simulointiympäristössä.