DC-moottorin kääntymiskulman PID-säädön automaattiviritys muuttuvalle kuormalle
Kajuutti, Kaapo (2025)
2025
Teknisten tieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
Hyväksymispäivämäärä
2025-06-10
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202506097011
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202506097011
Tiivistelmä
DC (Direct Current) -servomoottoreita käytetään monissa teollisuuden automaatiosovelluksissa, joissa tarvitaan tarkkaa kääntymiskulman tai pyörimisnopeuden säätöä. Moottorin kuorman massan muuttuessa myös moottorin dynamiikka muuttuu, joten kulmanopeutta tai kääntymiskulmaa säädettäessä pitää säätimelle laskea uudet viritysparametrit kuorman muuttuessa, jotta vaste saadaan säilytettyä haluttuna.
Tässä työssä toteutettiin DC-servomoottorijärjestelmälle kääntymiskulman PID (Proportional-Integral-Derivative) -säätöjärjestelmä ja sille automaattiviritys, joka laskee säätimelle uudet viritysparametrit moottorin kuorman massan muuttuessa. Säätimenä järjestelmässä käytettiin 2DOF-PID (Two-Degrees-Of-Freedom-Proportional-Integral-Derivative) -säädintä, joka mahdollistaa enemmän suunnitteluvapausasteita kuin tavallinen PID-säädin. Automaattiviritys perustuu moottorin aikavakion arvoon, joka voidaan määrittää suorittamalla moottorille askelkoe, jolloin askelvasteen perusteella voidaan määrittää tuntematonta kuorman massaa vastaava aikavakio. Uuden aikavakion perusteella voidaan laskea säätimelle uudet viritysparametrit. Työn automaattiviritin toteutettiin Simulinkissä tilakoneella, joka laskee säätimelle uudet viritysparametrit, kun kuorman massaa muutetaan.
Toteutettavan järjestelmän tulee saavuttaa asetusarvo siten, että vasteen ylitys on mahdollisimman pieni. Järjestelmän on myös poistettava askelmainen kuormitushäiriö kokonaan kääntymiskulman vasteesta. Lisäksi järjestelmän suhteellisen stabiiliuden tunnuslukujen tulee olla riittävän suuria. Järjestelmän tulee toteuttaa asetetut vaatimukset, kun kuorman massa on 0,5–3-kertainen kuorman alkuperäiseen massaan verrattuna.
Työn tuloksena saadaan asetetut vaatimukset täyttävä säätöjärjestelmä ja automaattiviritin. Toteutetun järjestelmän toimintaa testattiin Simulinkissä käyttäen kuorman massalle eri arvoja ja tarkastelemalla näillä massoilla järjestelmän asetusarvo- ja häiriövasteita. Lisäksi säätöpiirin ominaisuuksia arvioitiin järjestelmälle muodostettujen Gang-of-Six-siirtofunktioiden avulla.
Tässä työssä toteutettiin DC-servomoottorijärjestelmälle kääntymiskulman PID (Proportional-Integral-Derivative) -säätöjärjestelmä ja sille automaattiviritys, joka laskee säätimelle uudet viritysparametrit moottorin kuorman massan muuttuessa. Säätimenä järjestelmässä käytettiin 2DOF-PID (Two-Degrees-Of-Freedom-Proportional-Integral-Derivative) -säädintä, joka mahdollistaa enemmän suunnitteluvapausasteita kuin tavallinen PID-säädin. Automaattiviritys perustuu moottorin aikavakion arvoon, joka voidaan määrittää suorittamalla moottorille askelkoe, jolloin askelvasteen perusteella voidaan määrittää tuntematonta kuorman massaa vastaava aikavakio. Uuden aikavakion perusteella voidaan laskea säätimelle uudet viritysparametrit. Työn automaattiviritin toteutettiin Simulinkissä tilakoneella, joka laskee säätimelle uudet viritysparametrit, kun kuorman massaa muutetaan.
Toteutettavan järjestelmän tulee saavuttaa asetusarvo siten, että vasteen ylitys on mahdollisimman pieni. Järjestelmän on myös poistettava askelmainen kuormitushäiriö kokonaan kääntymiskulman vasteesta. Lisäksi järjestelmän suhteellisen stabiiliuden tunnuslukujen tulee olla riittävän suuria. Järjestelmän tulee toteuttaa asetetut vaatimukset, kun kuorman massa on 0,5–3-kertainen kuorman alkuperäiseen massaan verrattuna.
Työn tuloksena saadaan asetetut vaatimukset täyttävä säätöjärjestelmä ja automaattiviritin. Toteutetun järjestelmän toimintaa testattiin Simulinkissä käyttäen kuorman massalle eri arvoja ja tarkastelemalla näillä massoilla järjestelmän asetusarvo- ja häiriövasteita. Lisäksi säätöpiirin ominaisuuksia arvioitiin järjestelmälle muodostettujen Gang-of-Six-siirtofunktioiden avulla.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [10645]