Quanser QUBE-Servo 2 -järjestelmän tilasäätö

Abstract

Tässä työssä suunnitellaan moottorin varren asennon säädin. Säätimen toiminta perustuu tilasäätöön, jossa takaisinkytketty säädin on toteutettu tilatakaisinkytkennällä ja redusoidulla tilahavaitsijalla. Tilatakaisinkytkennässä mitattuna suureena on moottorin varren kulma ja kulmanopeus estimoidaan redusoidulla tilahavaitsijalla. Tasapainotilan seurannan parantamiseksi suunnitellaan kaksi erilaista toteutusta, joista toinen perustuu asetusarvon vahvistamiseen skalaarilla ja toinen integraattorin lisäämiseen tilatakaisinkytkentään. Säätimet viritetään napojen asettelumenetelmällä, jonka jälkeen viritystä pyritään parantamaan kokeellisesti. Kokeellisessa virityksessä tutkitaan viritysparametrien muutosten vaikutuksia järjestelmän käyttäytymisen. Säädettävälle järjestelmälle ja säätimille luodaan tilaesitykset ja siirtofunktioesitykset, joilla arvioidaan säädön suorituskykyä. Tutkittavana laitteistona on Quanser QUBE-Servo 2 -järjestelmä. Suunnittelun apuna sekä simulaatioissa on hyödynnetty Mathwoksin Matlab ja Simulink ohjelmistoja. Simulaattorimalleja ja fyysistä järjestelmää testataan sekä kanttiaaltomuotoisella askelsarjalla että yksikköaskeleella. Työn tuloksena saadaan vaatimusmäärittelyt toteuttava suorituskykyinen säädin. Valitulla säätimellä saavutetaan nopea vasteen asettumisaika sekä hyvä ulkoisten häiriöiden regulointikyky. Lisäksi kyseinen säädin on epäherkkä mallinnuksesta johtuville parametrien muutoksille. Jatkokehitysmahdollisuudeksi implementoidulle säätimelle ehdotetaan anti-windup-rakenteen lisäämistä toimilaitteen saturoitumisen estämiseksi.