Course syllabus

Kurs-PM

SSY310 Reglerteknik lp4 VT24 (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, övningsledare och räknestugeledare

Erik Brorsson, erikbro@chalmers.se

Räknestugeledare

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 Kap. 1, 2 + matte- introhäfte	Må 18 mars 9-12, HB3	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 Kap. 2, 3	Ti 19 mars 15-17, HB3	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 Kap. 3	On 20 mars 10-12, HB3	Tillståndsmodeller. Samband mellan överföringsfunktioner och tillståndsmodeller, poler, stabilitet. Olinjära tillståndsmodeller, arbetspunkt, linjärisering.
Lv 2 Kap. 3, 4	Må 25 mars 10-12, HB3	Tillståndsmodeller. Lösning av linjära tillståndsekvationer, övergångsmatris, stegsvar. Dynamiska modeller för tekniska system. Modellering av roterande kopplade mekaniska system samt elektro-mekaniska system.
Lv 2 Kap. 4	On 27 mars 10-12, HB3	Dynamiska modeller för tekniska system. Modellering av termiska och fluida system.
Lv 3 Kap. 5	Må 8 april 10-12, HB3	Tids- och frekvensanalys. Specifikation i tidsplanet, extra poler och nollställen. Bodediagram. Icke-minimumfassystem
Lv 3 Kap. 6	Ti 9 april  15-17, HB3	Stabilitet och stabilitetsmarginaler. Routh-Hurwitz kriterium. Nyquist's förenklade stabilitetskriterium. Stabilitetsmarginaler i Nyquist- och Bodediagram
Lv 4 Kap. 6	Må 15 april 10-12, HB3	Stabilitet och stabilitetsmarginaler. Nyquist's fullständiga stabilitetskriterium.
Lv 4 Kap. 7	On 17 april 10-12, HB3	Principer för dimensionering av regulatorer I: Prestanda. Känslighetsfunktioner, statisk noggrannhet, en generell analys- och syntesmetod.
Lv 5 Kap. 8	Må 22 april 10-12, HB3	Dimensionering av PI- och PID-regulatorer. Dimensionering baserat på önskad överkorsningsfrekvens och fasmarginal.
Lv 5 Kap. 12	On 24 april 10-12, HB3	Implementering av regulatorer. Tidsdiskret dimensionering av regulatorer.
Lv 7 Kap. 9, 10	Må 6 maj 10-12, HB3	Principer för dimensionering av regulatorer II: Robusthet, Känslighet för parametervariationer, robust stabilitet och prestanda. Alternativa designprinciper och regulatorstrukturer. Kaskadreglering, framkoppling.
Lv 7 Kap. 11	On 8 maj 10-12, HB1	Dimensionering av regulatorer på tillståndsform. Styrbarhet och observerbarhet. Tillståndsåterkoppling.
Lv 8 Kap. 11	Må 13 maj 10-12, HB3	Dimensionering av regulatorer på tillståndsform. Tillståndsåterkoppling, polplacering.
Lv 8	On 15 maj 10-12	Ingen föreläsning
Lv 9	Må 20 maj HB3, 10-12,	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 22 mars 8-10, ML13 Kap. 1, 2	1.19, 1.20, 1.21c, 1.28, 1.30	1.21b, 1.23
Ti 26 mars 15-17, SB3-L111 Kap. 2	1.18, 4.17, 4.19, 4.15	1.24, 4.20
On 27 mars 15-17, SB3-L111 Kap. 3	2.1d, 2.2c, 3.16, 2.16	2.1a,e, 2.2d, 2.3, 2.5, 2.12, 2.15
Ti 9 april 8-10, ML13 Kap. 4	3.2, 3.4, 3.12, 3.18	3.1, 3.3c, 3.11b, 3.9, 3.26a, 3.16, 3.19
Ti 16 april 15-17, SB3-L111 Kap. 5	5.2a,c, 5.3, 5.5	4.1, 5.2a,d, 5.6, 4.2c
Fr 19 april 8-10, ML13 Kap. 6	4.5, 4.8, 5.10, 5.17	4.3, 5.16, 5.19
Ti 23 april 15-17, ML13 Kap. 6, 7	5.13c, 5.14, 6.5	4.10, 5.12, 5.13a,b
Fr 26 april 8-10, ML13 Kap. 7	5.24, 5.25, 4.9, 5.20	5.21, 5.22, 5.23, 4.12, 4.14
Fr 3 maj 8-10, ML13 Kap. 8	6.3, 6.10, 6.4, 6.8	6.2, 6.6, 6.11
Ti 7 maj 15-17, ML13 Kap. 12	Nya uppg. 12.3, 12.5, 12.6, 12.7	Nya uppg. 12.1, 12.2, 12.8, 12.9, 12.11
Ti 14 maj 15-17, SB3-L111 Kap. 9, 10	6.14, 6.15, 7.6, 6.36b, 7.11	6.13, 6.16, 6.17, 7.5, 7.15
Fr 17 maj 8-10, SB3-L111 Kap. 11	8.1a-c, 8.2, 8.3	8.7, 8.8
Ti 21 maj 15-17, SB3-L111	Rep tenta	Allt du inte redan gjort...

Notera också för eget arbete de representativa tentamenstal som anges för respektive kapitel.

 

Inlämningsuppgifter och projektuppgift

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.

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 grupp. 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	Måndag 25 mars	Fredag 12 april	Fredag 19 april	Fredag 26 april
2	Måndag 15 april	Fredag 26 april	Fredag 3 maj	Fredag 10 maj
3	Måndag 29 april	Fredag 10 maj	Fredag 17 maj	Fredag 24 maj
Projekt	Måndag 29 april	Fredag 17 maj	Fredag 24 maj	Fredag 31 maj

 

Räknestugor

Räknestugor erbjuds onsdagar den

10/4, 13-15, SB3-L111
17/4, 15-17, SB3-L111
24/4, 15-17, SB-M500
8/5, 15-17, SB-M500 
15/5, 13-15, SB-M500 
22/5, 15-17, SB3-L111

Förändringar i kursen under senare år

• Omfattningen av projektuppgiften och den andra inlämningsuppgiften har minskats.
• Den muntliga redovisningen av den tredje inlämningsuppgiften har tagits bort, vilket innebär att uppgiften redovisas via en rapport på samma sätt som övriga uppgifter.
• Ett antal representativa tal från tidigare tentor tillhandahålls redan från kursens start tillsammans med en sammanfattning av de olika kapitlen i läroboken.
• Formelbladet vid tentamen reduceras till en fram och baksida, vilket också innebär att egna anteckningar endast får ske på ett blad inkl fram och baksida. Skälet är att alltför många tidigare år har skrivit av kompletta lösningar på ett stort antal tal, vilket inte är syftet med att få ta med egna anteckningar.
  
  

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 7.5 hp, varav inlämningsuppgifterna och projektuppgiften ger 3.0 hp och tentamen ger 4.5 hp.

Ordinarie tentamenstillfälle är den  31 maj, eftermiddag. Första omtentan går den 23 augusti, eftermiddag.  Tillåtna hjälpmedel: Valfri kalkylator med tömt minne, Bodediagram samt standardtabeller av typen Physics handbook, TEFYMA och Beta, samt ett formelblad med tryckta formler på fram och baksida där även egna handskrivna anteckningar är tillåtna. Datorutskrifter förutom de ingående formlerna och figurerna på formelbladet är ej tillåtna. Ett blad med enbart egna anteckningar är ej heller tillåtet. 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