Säätötekniikan perusteet Luento 1 12.1.2015

Luennon tavoitteet Mitä osaatte luennon jälkeen? Kurssin käytännön järjestelyt ovat tiedossa. Ymmärrätte, mitä on säätötekniikka ja mihin sitä tarvitaan. Osaatte nimetä säätöpiiriin liittyviä peruskäsitteitä. Teillä on idea siitä, miten säädöllä voidaan vaikuttaa järjestelmän käyttäytymiseen. Osaatte luetella säätösuunnitteluprosessin vaiheet. LUT Energy Electricity | Energy | Environment

Kurssin käytännön järjestelyt

Kurssin opettajat Luennot Koordinoija: Tutkijatohtori Pasi Peltoniemi, h. 3217, pasi.peltoniemi@lut.fi Tutkijaopettaja Tuomo Lindh, huone 6409, tuomo.lindh@lut.fi Tutkijatohtori Katja Hynynen, h. 6431, katja.hynynen@lut.fi Laskuharjoitukset ja harjoitustyö Nuorempi tutkija Jari Honkanen, h 6405, jari.honkanen@lut.fi Vastaanottoajat sovitaan sähköpostitse LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Kurssin toteutus (1/2) Luennot Harjoitukset 12 h 3. periodi + 12 h 4. periodi Ma klo 12.15 – 13.45, sali 7343.1+7343.2 Harjoitukset 2 vaihtoehtoista ryhmää 3. periodi To klo 10 – 12, sali 4505 Pe klo 10 - 12, sali 7339 4. periodin harjoitukset varmistuvat myöhemmin, mukana myös muutama mikroharjoitus, Matlab/Simulink 50 % läsnäolovaatimus, nimilistat kiertävät LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Kurssin toteutus (2/2) Kotitehtävät Vapaaehtoiset kotitehtävät Moodlessa Mahdollista saada 12 lisäpistettä tenttiin (Tentissä maksimi 100 p) Tehtävät liittyvät seuraavaan luentoon, tarkoituksena perehtyä luentoon etukäteen. Luennolla voidaan keskittyä sovelluksiin, esimerkkeihin yms. ja vaikeisiin asioihin. Tehtävät jaetaan luennon lopussa, palautusaikaa 1 viikko A-kurssiin kuuluu harjoitus-/laboratoriotyö Jaetaan 4. periodin alussa Tehdään pareittain Arviointi hyväksytty/hylätty Tentti LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Kurssimateriaali Kurssimateriaali löytyy A-kurssin sivuilta Nopasta. B-kurssin sivuja ei päivitetä. Nopasta löytyy Luentokalvot Laskuharjoituspaperit ja ratkaisut Luentomoniste vuodelta 2009, ei päivitetä, mutta pätevä edelleen Moodlesta löytyy Kotitehtävät + niiden arviointi Osa materiaalista on suojattu salasanalla, joka on bl40a0200 Oheislukemistoksi kelpaavat useat säätötekniikan oppikirjat, hyviä esimerkkejä on lueteltu opinto-oppaassa. LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Kurssin tiedotus Kurssin tiedotus tapahtuu A-kurssin moodlessa Lisäksi ajankohtaisista asioista tiedotetaan luennoilla ja harjoituksissa. LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Mitä on säätötekniikka?

Mitä on säätötekniikka? Säätötekniikan avulla pyritään ohjaamaan erilaisia järjestelmiä. Tavoitteena on saada järjestelmät käyttäytymään halutulla tavalla luotettavasti, taloudellisesti ja tarkasti ympäristön häiriöistä riippumatta. Säätötekniikan sovelluksia löytyy kaikkialta; energiatekniikasta, sähkötekniikasta, koneautomaatiosta, prosessiteollisuudesta, talousjärjestelmistä, liikenteen ohjaamisesta, kotitalouksista. LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Esimerkkejä säätöjärjestelmistä Kotitalous: Lämpöpatterit, uuni, liesi, jääkaappi, pakastin, vesihana (termostaatti huolehtii, että lämpötila on sopiva) Akkulaturit (pitävät latausjännitteen sopivana) LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Esimerkkejä säätöjärjestelmistä Teollisuus: Energia: höyrykattilan teho, paine, lämpötila. Generaattorin taajuus ja teho Sähkötekniikka: Jännitteen säätö (hakkuriteholähteet, verkkovaihtosuuntaajat), pyörimisnopeussäädöt Konetekniikka: robotit, automaattiset tuotantolinjat, nosturit, pakkaus- ja työstökoneet Kemiantekniikka: tislauskolonnit, sekoitussäiliöt, erottimet Ilmailu ja avaruusteknologia LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Demoja http://www.youtube.com/watch?v=w1824fqx0I8 http://www.youtube.com/watch?v=zEyRmDYcSQ0 http://www.youtube.com/watch?v=a1_8t0DQhuY LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Säätöpiiriin liittyviä peruskäsitteitä

Fysikaalinen systeemi Fysikaalinen systeemi voidaan esittää lohkona, jolla on tulosignaaleja (input) ja lähtösignaaleja (output). Systeemin käyttäytymiseen vaikuttavat häiriösignaalit Lisäksi systeemin ohjaus edellyttää energiaa. LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Avoimen ja suljetun piirin säätö Säädön tarkoituksena on saada systeemin lähtö käyttäytymään halutulla tavalla. Säätöjärjestelmän voidaan jakaa karkeasti kahteen luokkaan: Avoimen piirin säätö eli ohjaus (open-loop control) Tiedetään, kuinka systeemi reagoi tulo-signaaliin. Häiriöiden vaikutuksia ei voida kompensoida. Takaisinkytketty säätö eli säätö (feedback control). Mitataan lähtö ja verrataan ohjearvoon. Häiriöt saadaan kompensoitua. LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Esimerkki. Auton kuljettaminen Tarkkaillaan auton suuntaa ja nopeutta. Ohjearvoina ovat tien suunta ja nopeusrajoitus. Oloarvot ”mitataan” kuljettajan silmien avulla. Säätäjänä toimii ajaja, joka muodostaa aivojen, käsien ja jalkojen avulla ohjaussignaalin auton ohjauslaitteille. Ohjauslaitteiden välityksellä vaikutetaan itse prosessiin, eli autoon ja sen kulkusuuntaan. LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Säätöjärjestelmän peruskomponentit Säädettävä systeemi (process) Mittalaite (sensor). Säätäjä eli säätölaki (controller, control law) Toimilaite (actuator) Perussignaalit: ohjearvo (command input, reference value), oloarvo (actual value, controlled output) sekä erosuure (error). LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Esimerkkejä säätöjärjestelmistä Mitä seuraavissa säätöjärjestelmissä tapahtuu? Mitä peruskomponentteja järjestelmistä löytyy? Vesikiertoinen lämpöpatteri Säiliön pinnankorkeussäätö Leivänpaahdin LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Mitä säädöllä voidaan tehdä? Mitä säädöltä odotetaan?

Mitä säädöltä odotetaan? Systeemi ei karkaa käsistä (on stabiili)! Muita ”hienouksia”: Kuinka nopea systeemin pitää olla? Saako lähtösuureessa olla ylitystä, saako se värähdellä? Paljonko ylitystä saa olla ja kauanko lähtö saa värähdellä? Paljonko oloarvo saa poiketa asetusarvosta? Häiriönsieto? LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Säätösysteemin suunnitteluprosessi

Säätösysteemin suunnitteluprosessi Säätötehtävän määritys: Mitä, miten ja miksi säädetään? Onko säätömuoto esim. vakioarvo-, ohjelma- vai seurantasäätö? Matemaattisen mallin määritys, differentiaaliyhtälö(t) Ympäristön vaikutukset, häiriöt Säätämättömän systeemin ominaisuuksien analysointi Säätösysteemin suunnittelu, säätömenetelmän valinta Säätösysteemin analysointi: Stabiilius, tarkkuus, herkkyys häiriöille, taloudellisuus. Ellei haluttuihin kriteereihin päästä, voidaan tarvittaessa palata kohtaan 5 ja muuttaa säätöperiaatetta. Säätöjärjestelmän tekninen toteutus LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Kurssin sisältö

Säätötekniikan tehtävät ja sovellusalueet Kurssin sisältö (1/2) Säätötekniikan tehtävät ja sovellusalueet Dynaamisen järjestelmän matemaattinen mallinnus (diffikset, tilayhtälöt, Laplace-muunnos, siirtofunktio) Säätötekniikan perustyökalut ja menetelmät (siirto- ja painofunktiot, askel- ja impulssivasteet, takaisinkytkentä, lohkokaavioaritmetiikka) LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Matlab/Simulink-ohjelmisto säätösuunnittelussa Kurssin sisältö (2/2) Dynaamisen järjestelmän analysointi säätöteknisin menetelmin (stabiiliusanalyysi, taajuusvaste, 2. kertaluvun systeemin analysointi) Yksinkertaisen säätöjärjestelmän suunnittelu ja mitoitus (ominaissuureet, kompensointipiirit ja säätimet, suunnittelumenetelmät) Matlab/Simulink-ohjelmisto säätösuunnittelussa LUT Energy Energy Technology | Electrical Engineering | Environment Technology

Yhteenveto Mitä pitäisi osata? Mitä on säätötekniikka ja mihin sitä tarvitaan? Säätöpiiriin liittyviä peruskäsitteitä. Mitä säädöllä voidaan tehdä? Mitä vaiheita säätösysteemin suunnitteluprosessiin kuuluu? LUT Energy Electricity | Energy | Environment