Course syllabus

Kurs-PM

SSY051 Reglerteknik lp1 HT20 (7,5 hp)

Kursen ges av institutionen för elektroteknik, avdelningen för system- och reglerteknik.

 

Kontaktuppgifter

Examinator och föreläsare

Bengt Lennartson, tel: 031-772 3722, bengt.lennartson@chalmers.se

Kursansvariga assistenter

Mattias Hovgard, tel. 031-772 5740, hovgard@chalmers.se

Övningsledare och ansvariga för räknestugorna

Johan Karlsson, tel: 031-772 2163, jokarls@chalmers.se
Daniel Gleeson, tel: 031-772 4243, daniel.gleeson@fcc.chalmers.se
Angelos Toytziaridis, tel: 031-772 1712, angtoy@chalmers.se 

Kursexpedition

Rum EDIT 3342: tel: 031-772 3720, madelein@chalmers.se

 

Kursens syfte och mål

Kursen syftar till att hjälpa studenter att förstå hur reglerteknik kan användas för att analysera, dimensionera och realisera styrfunktioner för tekniska system. Vidare syftar kursen till att vidga studentens perspektiv på tekniska system, genom att fördjupa förståelsen för hur mekanik, elektronik, datorteknik och reglerteknik samverkar. Dessa insikter ger ett systemperspektiv som kan utnyttjas till att förbättra och utveckla nya produkter och system som erbjuder ny funktionalitet, förbättrad prestanda och som är vänligare mot miljön.

Efter kursens genomförande ska du bland annat

  • förstå skillnaden mellan öppet och återkopplat system, och hur det öppna systemets utseende påverkar det återkopplade systemets dynamiska och statiska egenskaper.
  • kunna ta fram dynamiska modeller för tekniska system. Huvudvikt läggs på elektriska system men även enklare mekaniska, termiska och fluida system ska du klara av.
  • behärska tillståndsmetodik för att modellera och analysera komplexa dynamiska system.
  • förstå och analysera olika egenskaper för dynamiska system, såsom stabilitet, robusthet, statisk noggrannhet och snabbhet.
  • inse återkopplingens möjligheter och begränsningar, samt behärska grundläggande principer för dimensionering och analys av reglersystem, med betoning på design i frekvensplanet.
  • kunna dimensionera och använda typiska reglerkomponenter, såsom PID-regulatorer.

 

Kurslitteratur

Kursbok: Reglerteknikens grunder, B. Lennartson. Studentlitteratur, 2002. Säljs på Cremona.

Kurspaket: Övningsuppgifter inklusive lösningar samt inlämningsuppgifter, formelblad och gamla tentamina med lösningar levereras via Canvas.

Kompletterande litteratur:
T. Glad, L. Ljung. Reglerteknik : grundläggande teori. Studentlitteratur, 2006.
R.C. Dorf, R.H. Bishop. Modern Control Systems. Prentice Hall, 2010.

 

Föreläsningsprogram

Zoom föreläsningar. Zoom länk https://chalmers.zoom.us/j/68928432833  

Passord: Regler2020.

Notera att zoom-länken gäller för hela läsperioden, vilket betyder att länken försvinner fredagen den 23/10 17:00. Innan dess används den för samtliga föreläsningar, då föreläsaren öppnar zoom-länken senast 5 minuter innan föreläsningen startar.  

Vecka, avsnitt

Datum, sal

Föreläsning

Lv 1
Kap. 1

On 2 sept
8-10

Introduktion. Signaler och system, dynamiska kontra statiska system, öppet och återkopplat system. Återkopplingens möjligheter.

Lv 1
Kap. 2 + matte- introhäfte

To 3 sept
13-15

Matematik-repetition. Introduktionshäfte. Matematisk beskrivning av dynamiska system. Överföringsfunktioner, viktfunktionen, poler och nollställen. 

Lv 1
Kap. 2

Fred 4 sept
8-10

Matematisk beskrivning av dynamiska system. Blockschema för återkopplade system. Kretsöverföring. Polplacering med PI-regulator.

Lv 2
Kap. 3

Tisd 8 sept
9-12

Tillståndsmodeller. Linjära och olinjära tillståndsmodeller, tillståndsrum, tillståndsmodeller för tekniska system. Samband mellan överföringsfunktioner och tillståndsmodeller, poler, stabilitet. Olinjära tillståndsmodeller, arbetspunkt, linjärisering. Lösning av linjära tillståndsekvationerna, övergångsmatris, stegsvar.

Lv 2
Kap. 4

Fred 11 sept
8-10

Dynamiska modeller för tekniska system. Modellering av roterande kopplade mekaniska system samt elektro-mekaniska system.

Lv 3
Kap. 4, 5

Tisd 15 sept
9-12

Dynamiska modeller för tekniska system. Modellering av termiska och fluida system. Tids- och frekvensanalys. Specifikation i tidsplanet, extra poler och nollställen. Bodediagram. Icke-minimumfassystem, Padéapproximation för dödtid.

Lv 3
Kap. 6

Fred 18 sept
8-10

Stabilitet och stabilitetsmarginaler. Routh-Hurwitz kriterium. Nyquist's förenklade stabilitetskriterium. Stabilitetsmarginaler i Nyquist- och Bodediagram

Lv 4
Kap. 6, 7

 

Tisd 22 sept
9-12

Stabilitet och stabilitetsmarginaler. Nyquist's fullständiga stabilitetskriterium. Principer för dimensionering av regulatorer I: Prestanda. Återkopplade systems egenskaper i olika frekvensområden, asymptotiska egenskaper.

Lv 4
Kap. 7

 

Fred 25 sept
8-10

Principer för dimensionering av regulatorer I: Prestanda. Känslighetsfunktioner, statisk noggrannhet, en generell analys- och syntesmetod.

Lv 5
Kap. 8, 12

Tisd 29 sept
9-12

Dimensionering av PI- och PID-regulatorer. Dimensionering baserat på önskad överkorsningsfrekvens och fasmarginal. Optimala regulatorer baserat på en enkel sökmetod. Implementering av regulatorer. Tidsdiskreta modeller, diskretisering.

Lv 5
Kap. 12

Fred 2 okt
8-10

Implementering av regulatorer. Tidsdiskret dimensionering av regulatorer.

Lv 6
Kap. 9,10

Tisd 6 okt
9-12

Principer för dimensionering av regulatorer II: Robusthet, Känslighet för parametervariationer, robust stabilitet och prestanda. Alternativa designprinciper och regulatorstrukturer. Inre återkoppling, kaskadreglering, framkoppling.

Lv 6

Fred 9 okt
8-10

Ingen föreläsning

Lv 7
Kap. 11

Tisd 13 okt
9-12

Dimensionering av regulatorer på tillståndsform. Styrbarhet och observerbarhet. Tillståndsåterkoppling, polplacering.

Lv 7
Kap. 11

Fred 16 okt
8-10

Dimensionering av regulatorer på tillståndsform. Tillståndsskattning.

Lv 8
Kap. 11

Tisd 20 okt
9-12

Dimensionering av regulatorer på tillståndsform. Utsignalåterföring,   PI-regulator i serie med optimalt filter.
Sammanfattning och repetition.

På föreläsningarna kommer det mesta av kursens innehåll att tas upp. Ibland lämnas dock en del av det lättare materialet för självstudier. Kursens innehåll definieras av kursboken. Dock ingår ej avsnitt markerade med (*) samt följande avsnitt/sidor: 3.5, 4.7, 5.7, 5.10, 6.4, sid. 313-320, 8.6-8.9, 9.5, 9.6, 10.3-10.5, 10.8, sid. 412-418, 12.5 och 12.9. Avsnitten 2.1-2.6 samt 12.3 kan betraktas som repetition.

 

Övningsprogram

Vid varje övningstillfälle räknas de uppgifter som anges under rubriken Övning. Uppgifterna under rubriken Eget arbete rekommenderas att lösas på egen hand. Till övningarna tillhandahålls lösningar. De uppgifter som eventuellt inte hinns med på övningarna övergår till eget arbete.

Zoom övning

Övningstillfälle

Övning

Eget arbete

Fred 4/9 10-12, Kap. 1, 2

1.19, 1.20, 1.21c, 1.28, 1.30

1.21b, 1.23

Onsd 9/9 8-10,  Kap. 2

1.18, 4.17, 4.19, 4.15

1.24, 4.20

Fred 11/9 10-12,  Kap. 3

2.1d, 2.2c, 3.16, 2.16

2.1a,e, 2.2d, 2.3, 2.5, 2.12, 2.15

Onsd 16/9 8-10,  Kap. 4

3.4, 3.12, 3.21, 3.18

3.1, 3.3c, 3.11b, 3.9, 3.26a, 3.16, 3.19

Fred 18/9 10-12,  Kap. 5

5.2a,c, 5.3, 5.5

4.1, 5.2a,d, 5.6, 4.2c

Onsd 23/9, 8-10,  Kap. 6

4.5, 4.8, 5.10, 5.17

4.3, 5.16, 5.19

Fred 25/9, 10-12,  Kap. 6, 7

5.13c, 5.14, 6.5

4.10, 5.12, 5.13a,b

Onsd 30/9, 8-10,  Kap. 7

5.24, 5.25, 4.9, 5.20

5.21, 5.22, 5.23, 4.12, 4.14

Fred 2/10, 10-12,  Kap. 8

6.3, 6.10, 6.4, 6.8

6.2, 6.6, 6.11

Onsd 7/10, 8-10,  Kap. 12

Nya uppg. 12.3, 12.5, 12.6, 12.7

Nya uppg. 12.1, 12.2, 12.8, 12.9, 12.11

Fred 9/10, 10-12

Ingen övning

 

Onsd 14/10, 8-10  Kap. 9, 10

6.14, 6.15, 7.6, 6.36b, 7.11

6.13, 6.16, 6.17, 7.5, 7.15

Fred 16/10, 10-12,  Kap. 11

8.1, 8.2, 8.3, 8.6

8.4, 8.5, 8.9

Onsd 21/10, 8-10

Rep tenta

Allt du inte redan gjort...

 

Inlämningsuppgifter

Tre inlämningsuppgifter genomförs under kursens gång. Syftet med dessa uppgifter är att få igång en räknefärdighet inom ämnet, men också att med hjälp av datorverktyg få träning i att lösa reglerproblem som kräver datorberäkningar. Beräkningarna genomförs med hjälp av Matlab och Control Systems Toolbox.
Inlämningsuppgifterna genomförs i form av självständigt arbete i tvåmannagrupper och resultatet redovisas i en rapport som lämnas in i ett exemplar av varje sådan grupp. Dessutom redovisas sista inlämningsuppgiften muntligt. Starta arbetet individuellt om så önskas och jämka sedan samman lösningarna två och två. Anmälan till grupper sker via Canvas under "People". Rapporterna lämnas in under "Assignments".
Inlämningsuppgift Påbörjas Lämnas in senast fredagen den Återlämnas fredagen den Eventuell retur lämnas in senast fredagen den
1 lv 2 18 sept (lv 3) 25 sept (lv 4) 2 okt (lv 5)
2 lv 4 2 okt (lv 5) 9 okt (lv 6) 16 okt (lv 7)
3 lv 6 16 okt (lv 7) * *

* Uppgiften redovisas muntligt via zoom. Bokning av redovisningstillfälle sker via https://docs.google.com/spreadsheets/d/1F4wR6M4IlMULzl93RGRuByDgJHl8wbND8ixD8Fy15Bw/edit#gid=0

Zoom-länkar till de muntliga redovisningarna:

Ahad: https://chalmers.zoom.us/j/66102713732 lösenord: 714812

Mattias: https://chalmers.zoom.us/j/68591522942 lösenord: 301724

Den muntliga redovisningen kommer att gå till som följer: vi går igenom frågorna en och en och så får ni förklara vad ni har kommit fram till och vi ställer eventuellt följdfrågor för att vara säkra på att ni har förstått vad ni har gjort. Om ni har skrivit en ordentlig rapport behöver ni inte göra någon separat power-point presentation, utan då går det bra att visa upp rapporten och prata utifrån den.

 

Räknestugor

Räknestugor erbjuds fr o m lv 3 måndagar 13-15 samt fredagen den 23/10 via zoom. Länkar till räknestugorna finns under "Zoom".

 

Förändringar sedan förra kurstillfället

  • En kortare formelsamling som tidigare inkluderats i tentamenstesen får fr o m 2019 tas med på tentamen inklusive egna anteckningar på de fyra formelsidorna.
  • Ett introduktionshäfte med aktuell matematik presenteras i början av kursen. 
  • Samtliga föreläsningsanteckningar delas ut under kursens gång.

 

Lärandemål

Att kunna tillämpa reglertekniska analys- och designmetoder för att på ett ingenjörsmässigt sätt kunna lösa enklare reglerproblem. Mer specifikt gäller att studenten efter avklarad kurs ska kunna:

  • Definiera reglerproblemet.
  • Definiera begreppen återkoppling och framkoppling.
  • Beskriva och förklara de viktigaste egenskaperna hos linjära system.
  • Förstå hur frekvensinnehållet i en signal kan analyseras.
  • Sätta upp en dynamisk modell för enklare mekaniska och elektriska system.
  • Förstå hur Laplacetransformen kan användas för att underlätta analysen av linjära dynamiska system.
  • Förstå möjligheterna och begränsningarna med tillståndsmodeller samt överföringsfunktioner.
  • Kunna transformera mellan dessa representationer i de fall det är möjligt.
  • Beräkna linjära approximationer av olinjära modeller samt kunna förklara begränsningarna hos den linjära approximationen.
  • Göra stabilitetsanalys för linjära dynamiska system samt förklara det återkopplade systemets stabilitetsegenskaper utifrån Nyquistkriteriet.
  • Förstå hur återkoppling och framkoppling kan utnyttjas för att minska inverkan av process- och mätstörningar samt parametervariationer i den styrda processen, samt även förstå begräsningarna för återkoppling resp. framkoppling.
  • Designa enklare regulatorer som uppfyller givna specifikationer i form av prestanda-, robusthets- och stabilitetsmarginalskrav på det återkopplade systemet.
  • Analysera och göra avvägningar mellan olika regulatorstrukturer, i huvudsak, P, PI, PD, PID samt kaskadreglering, framkoppling och tillståndsåterkoppling med observatör.
  • Implementera den designade regulatorn i en dator samt förstå sampling och dess konsekvenser.
  • Använda moderna datorhjälpmedel för att underlätta analys, design och utvärdering av återkopplade dynamiska system.

 

Examination

För slutbetyg krävs godkända inlämningsuppgifter samt godkänd tentamen. Kursens omfattning är 7.5 hp, varav inlämningsuppgifterna ger 2 hp och tentamen ger 5.5 hp.

Ordinarie tentamenstillfälle är den 27 oktober, eftermiddag. Första omtentan går den 7 januari, eftermiddag.  Tillåtna hjälpmedel: Valfri kalkylator med tömt minne, Bodediagram samt standardtabeller av typen Physics handbook, TEFYMA och Beta samt formelblad 4 sidor där egna anteckningar är tillåtna. Tentamen omfattar 25 poäng, där betyg tre fordrar 10 poäng, betyg fyra 15 poäng och betyg fem 20 poäng.

Länk till kursplanen i Studieportalen Studieplan

Course summary:

Date Details Due