Course syllabus
Kurs-PM
SSY310 Reglerteknik lp4 VT23 (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
Kursansvarig assistent
Carl-Johan Heiker, heikerc@chalmers.se
Övningsledare och ansvarig för räknestugor
Yizhou Zhang, yizhou@chalmers.se
Tentamensexpedition
Rum EDIT 3342, studadm.e2@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
|
Datum, sal |
Föreläsning |
|
|
Lv 1 |
Må 20 mars |
Introduktion. Signaler och system, dynamiska kontra statiska system, öppet och återkopplat system. Återkopplingens möjligheter. Matematik-repetition. Introduktionshäfte. Matematisk beskrivning av dynamiska system. Överföringsfunktioner, poler och nollställen. |
|
Lv 1 |
Ti 21 mars |
Matematisk beskrivning av dynamiska system. Blockschema för återkopplade system. Kretsöverföring. Polplacering med PI-regulator. Tillståndsmodeller. Linjära och olinjära tillståndsmodeller, tillståndsrum, tillståndsmodeller för tekniska system. |
|
Lv 1 |
On 22 mars |
Tillståndsmodeller. Samband mellan överföringsfunktioner och tillståndsmodeller, poler, stabilitet. Olinjära tillståndsmodeller, arbetspunkt, linjärisering. |
|
Lv 2 |
Må 27 mars |
Tillståndsmodeller. Lösning av linjära tillståndsekvationer, övergångsmatris, stegsvar. Dynamiska modeller för tekniska system. Modellering av roterande kopplade mekaniska system samt elektro-mekaniska system. |
|
Lv 3 |
Må 17 april |
Dynamiska modeller för tekniska system. Modellering av termiska och fluida system. |
|
Lv 3 |
On 19 april |
Tids- och frekvensanalys. Specifikation i tidsplanet, extra poler och nollställen. Bodediagram. Icke-minimumfassystem |
|
Lv 4 |
Må 24 april |
Stabilitet och stabilitetsmarginaler. Routh-Hurwitz kriterium. Nyquist's förenklade stabilitetskriterium. Stabilitetsmarginaler i Nyquist- och Bodediagram |
|
Lv 4 |
On 26 april |
Stabilitet och stabilitetsmarginaler. Nyquist's fullständiga stabilitetskriterium. |
|
Lv 5 |
Ti 2 maj |
Principer för dimensionering av regulatorer I: Prestanda. Känslighetsfunktioner, statisk noggrannhet, en generell analys- och syntesmetod. |
|
Lv 5 |
On 3 maj |
Dimensionering av PI- och PID-regulatorer. Dimensionering baserat på önskad överkorsningsfrekvens och fasmarginal. |
|
Lv 6 |
Må 8 maj |
Implementering av regulatorer. Tidsdiskret dimensionering av regulatorer. |
|
Lv 6 |
On 10 maj |
Principer för dimensionering av regulatorer II: Robusthet, Känslighet för parametervariationer, robust stabilitet och prestanda. Alternativa designprinciper och regulatorstrukturer. Kaskadreglering, framkoppling. |
|
Lv 7 |
Må 15 maj |
Dimensionering av regulatorer på tillståndsform. Styrbarhet och observerbarhet. Tillståndsåterkoppling. |
|
Lv 7 |
On 17 maj |
Dimensionering av regulatorer på tillståndsform. Tillståndsåterkoppling, polplacering. |
|
Lv 8 |
Må 22 maj |
Sammanfattning, repetition och frågor inför tentan. |
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.
|
Övningstillfälle |
Övning |
Eget arbete |
|
Fr 24 mars 8-10, SB3-L111, SB3 |
1.19, 1.20, 1.21c, 1.28, 1.30 |
1.21b, 1.23 |
|
Ti 28 mars 15-17, SB3-L111, SB3 |
1.18, 4.17, 4.19, 4.15 |
1.24, 4.20 |
|
Fr 31 mars 8-10, SB3-L111, SB3 |
2.1d, 2.2c, 3.16, 2.16 |
2.1a,e, 2.2d, 2.3, 2.5, 2.12, 2.15 |
|
Ti 18 april 13-15, SB3-L111, SB3 |
3.2, 3.4, 3.12, 3.18 |
3.1, 3.3c, 3.11b, 3.9, 3.26a, 3.16, 3.19 |
|
Fr 21 april 8-10, SB3-L111, SB3 |
5.2a,c, 5.3, 5.5 |
4.1, 5.2a,d, 5.6, 4.2c |
|
Ti 25 april 15-17, SB-L316, SB2 |
4.5, 4.8, 5.10, 5.17 |
4.3, 5.16, 5.19 |
|
Fr 28 april 8-10, SB3-L111, SB3 |
5.13c, 5.14, 6.5 |
4.10, 5.12, 5.13a,b |
|
Fr 5 maj 8-10, SB3-L111, SB3 |
5.24, 5.25, 4.9, 5.20 |
5.21, 5.22, 5.23, 4.12, 4.14 |
|
Ti 9 maj 15-17, SB-L200, SB2 |
6.3, 6.10, 6.4, 6.8 |
6.2, 6.6, 6.11 |
|
To 11 maj 15-17, SB3-L111, SB3 |
Nya uppg. 12.3, 12.5, 12.6, 12.7 |
Nya uppg. 12.1, 12.2, 12.8, 12.9, 12.11 |
|
Ti 16 maj 8-10, SB3-L111, SB3 |
6.14, 6.15, 7.6, 6.36b, 7.11 |
6.13, 6.16, 6.17, 7.5, 7.15 |
|
On 17 maj 15-17, SB3-L111, SB3 |
8.1a-c, 8.2, 8.3 |
8.7, 8.8 |
|
Må 22 maj 13-15, SB3-L111, SB3 |
Rep tenta |
Allt du inte redan gjort... |
Notera också för eget arbete de typiska tentamenstal som anges för respektive kapitel.
Inlämnings- och projektuppgifter
Tre inlämningsuppgifter och en projektuppgift 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.
Både inlämningsuppgifterna och projektuppgiften 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 | Återlämnas | Eventuell retur lämnas in senast |
| 1 | lv 2 | 21 april (fred lv 3) | 28 april (fred lv 4) | 5 maj (fred lv 5) |
| 2 | lv 4 | 5 maj (fred lv 5) | 12 maj (fred lv 6) | 19 maj (fred lv 7) |
| 3 | lv 6 | 19 maj (fred lv 7) | * | * |
| Projekt | lv 2 | 16 maj (tisd lv 7) | 19 maj (fred lv 7) | 26 maj (fred lv 8) |
* Uppgiften redovisas muntligt på onsdag 24/5 eller torsdag 25/5 på Chalmers. Boka en tid genom att skriva in ert guppnummer i ett dokument som annonseras senare
De muntliga redovisningarna kommer att gå till på följande sätt: 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
Tisdag 18 april 15-17 SB3-L111, SB3
Onsdag 26 april 15-17 SB-M500, SB2
Onsdag 3 maj 15-17 SB3-L111, SB3
Onsdag 10 maj 15-17 SB3-L111, SB3
Tisdag 16 maj 15-17 SB3-L111, SB3
Onsdag 24 maj 15-17 ML11
Förändringar i kursen under senare år
- Samläsningen med F2 ersätts med samläsning med Z2.
- Omfattningen av projektuppgiften och den andra inlämningsuppgiften minskas.
- Ett antal typiska tal från tidigare tentor tillhandahålls redan från kursens start tillsammans med en sammanfattning av de olika kapitlen i läroboken.
- Föreläsningar och storövningar genomförs endast i sal.
- Ett introduktionshäfte med aktuell matematik presenteras i början av kursen.
- Samtliga föreläsningsanteckningar delas ut under kursens gång.
Lärandemål
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 tillståndsåterkoppling.
- 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 6 hp, varav inlämningsuppgifterna ger 1.5 hp och tentamen ger 4.5 hp.
Ordinarie tentamenstillfälle är den 2 juni, eftermiddag. Första omtentan går den 18 augusti, eftermiddag. Tillåtna hjälpmedel: Valfri kalkylator med tömt minne, Bodediagram samt standardtabeller av typen Physics handbook, TEFYMA och Beta, samt kursens 4 formelblad där även egna handskrivna anteckningar är tillåtna på fram och baksida på de fyra formelbladen, dvs sammanlagt åtta A4-sidor. Datorutskrifter förutom de ingående formlerna och figurerna på de fyra formelbladen är ej tillåtna. Blad med enbart egna anteckningar är ej heller 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 |
|---|---|---|