Course syllabus

Kurs-PM: ERE103 Reglerteknik lp2 HT25 (7,5 hp)

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

Kontaktuppgifter

Examinator och föreläsare: Jonas Sjöberg, tel: 031-772 1855, jonas.sjoberg@chalmers.se

Assistent och övningsledare
Marcus Lassila, lassila@chalmers.se
Benedick Strugnell-Lees, benedick@chalmers.se

Studentadministration: Rum EDIT 3342, studadm.e2@chalmers.se

Vad är reglerteknik?

Reglering i tekniska system utförs genom att regleralgoritmer i styrdatorn räknar ut lämplig styrsignal utgående från mätningar av en eller flera storheter (t ex hastighet, temperatur).  Att mätningar på systemet används i regleralgoritmen är en  grundläggande princip som går under namnet återkoppling. En regulator, i allmänhet realiserad som programkod i en dator eller mikrokontroller, utnyttjar informationen i mätvärdena om systemets tillstånd för att påverka systemet enligt fastställda krav. Reglersystem finns inom nästan alla tekniska tillämpningsområden, exempelvis fordon, robotar, tillverkningsprocesser, kraftsystem, flyg och rymd, samt i många olika typer av data- och informationssystem.

Kursens syfte och mål

Kursen syftar till att introducera grunderna till reglerteknik och hur den 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 mjukvara och datorteknik samverkar med mekanik, elektronik, datorteknik och reglerteknik. 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.

Lärandemål: 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 enklare tekniska system i olika domäner såsom elektriska, mekaniska, termiska och fluida system.
• 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.
• dimensionera vanliga filter utifrån önskat frekvenssvar.
• förstå och behärska grundprinciperna för hur regulatorer implementeras i mjukvara.

Förkunskaper: Grundläggande begrepp från matematiken som måste behärskas är:

• komplexa tal
• linjär algebra
• Taylorutveckling
• ordinära differentialekvationer
• Laplace-transformen

Det förutsätts också att du har kunskaper om de grundläggande fysikaliska samband som behövs för att ställa upp energi-, kraft- och materialbalanser. OBS! Läs om matematikrepetition under Kursmoment nedan!

Kurslitteratur

Man kan välja på följande två böcker:

Kursbok: Reglerteknikens grunder, B. Lennartson. Studentlitteratur, 2002. 

alternativt
T. Glad, L. Ljung. Reglerteknik : grundläggande teori. Studentlitteratur, 2006.
Säljs på Cremona.

Den första boken innehåller mer exempel och det är mer att läsa. Den andra är mer kortfattad och teorin framgår kanske mer direkt, men exemplifieras inte lika mycket.

Ett annat alternativ är att använda Föreläsningarna i kondensat (tillgänglig via Canvas)

Kursavsnittet om filter täcks av Kompendiet Filter som finns på Canvas.

För att färska upp kunskaper från tidigare kurser som är extra viktiga så finns på Canvas ett häfte med Matematikrepetition, samt ett häfte med  Fysik-mekanikrepetition

Kurspaket: 1)  Reglerteknik grundkurs övningar, 2) ExtraÖvningar - enklare övningar med utförliga svar, 3) Övningar på filter, 4) inlämningsuppgifter (3 stycken), 5) Formelsamling och 6) gamla tentamina med lösningar, via Canvas.

Kompletterande litteratur:
R.C. Dorf, R.H. Bishop. Modern Control Systems. Prentice Hall, 2010. 

Kursmoment/organisation

Kursen organiseras kring följande schemalagda moment: föreläsningar, räkneövningar, räknestugor och handledning. Därutöver krävs naturligtvis eget arbete med inlämningsuppgifter och, inte minst, träning i problemlösning.

Föreläsningar syftar till att motivera och introducera begrepp och metoder, som förklaras mer ingående i läroboken. Tonvikten kommer att läggas på de viktigaste delarna av materialet; vissa avsnitt i boken lämnas alltså för självstudier. Föreläsningarna använder en blandning av ”svarta tavlan” och dataprojektor med bilder och simuleringar.

Räkneövningar  sker i storgrupp. Syftet är att använda begrepp och metoder från föreläsningarna på utvalda problem, att demonstrera lösningstekniker och att diskutera och tolka resultaten. Kom förberedd om du vill få ut mesta möjliga av dessa övningar!

Räknestugor ebjuds som komplement till demonstrationsräkning i storgrupp, där du arbetar självständigt i närvaro av en assistent. Du kan här få hjälp med uppgifter du kört fast på, eller diskutera detaljer som du är osäker på. OBS! Erfarenheten säger att det är helt nödvändigt att arbeta med problemlösning på egen hand under kursens gång för att få rutin och för att få en bra förståelse av materialet. Alltså – arbeta själv med övningar och använd sedan räknestugorna för att reda ut oklarheterna!

Handledningstillfällen, 2 timmar per vecka, där möjlighet ges att diskutera och få hjälp med inlämningsuppgifterna.

Matematikrepetition som sammanfattar de för kursen viktigaste matematiska begreppen från tidigare kurser hittas i MatematikRepetition2018.pdf. Vi rekommenderar att du tidigt går igenom detta för att se vad du behöver repetera. En frivillig uppgift är att besvara 14 frågor, som korrekt lösta ger 1 bonuspoäng på ordinarie  tentamen. Dessa frågor hittar du (med slumpade, individuella parametrar) i verktyget Möbius Assessment. Du kommer i samband med kursstart att få ett mail med inbjudan att logga in i Möbius Assessment. Testet är tillgängligt t.o.m. torsdagen i lv2.

I kursen ingår tre obligatoriska inlämningsuppgifter (hemlaborationer), som utförs i grupper om två studenter. Uppgifterna kan laddas ned från kurshemsidan. Vissa uppgifter kräver tillgång till Phyton. Inlämning av rapport som beskriver lösningarna av inlämnings-uppgiften sker på Canvas en rapport per grupp. Lösningarna skall vara tydliga, lättlästa och motiverade, alla antaganden skall redovisas. Blir en rapport inte godkänd så har man en möjlighet att lämna in kompletterad rapport vid senare deadline. Blir även den underkänd så får har man en möjlighet att lämna in och få rapporten rättat i samband med resttentamen. Mycket av kursen lär man sig på inlämningsuppgifterna och genom att utnyttja handledningstillfällena så minskar man risket att få dem underkända.

Understrukna övningar finns lösta på video – sök ”Reglerteknik grund” på YouTube´. Övningar i hakparantes är föreslagna hemuppgifter.

Se även schema  på TimeEdit, där framgår tid.

Vecka	Datum	Föreläsning	Övning	Lokal	Material - Tema Litteraturänvisningarna är till  Lennartson, om inte annat anges.	1) Deadlines 2) "lätta" övningar från Extra övningar ERE103 att försöka lösa på egen hand efter föreläsning. 3) Kompletterande online-föreläsningar
v.45 lv1	4/11	1		HB3	Introduktion. (Kap 1),  Varför reglerteknik? Varför så mycket mjukvara i reglersystem? Linjära system. Vad är dynamik, styrning och återkoppling? Exempel på reglersystem och vad återkoppling används till.	Quiz  Control Bootcamp JF
	4/11	2		HB3	Linjära system I. (Kap 1-2, tidsdiskreta delarna: 12.2-12.3) Linjära modeller för tidsinvarianta system: Differential- och differensekvationer, överföringsfunktioner, poler och nollställen, stabilitet	Quiz, Bootcamp Uppgift: 1,2, 6
	6/11		1	HB3	Introduktionsexempel. Laplace. (1.3, 1.4, 1.12, 1.19) , [1.1, 1.7, 1.9, 1.13]
	6/11	3		HB3	Linjära system II. (Kap 2), Karrakterisering av 1:a & 2:a ordningenssystem,  Blockschema för återkopplade system. Kretsöverföring. Kvarvarande fel, Polplacering med PI-regulator.	Quiz, Bootcamp Uppgift: 3,4,7,11,12
	7/11		2	HB3	Linjära modeller. Blockschema. (1.17, 1.20, 1.23, 1.24), [1.15, 1.18, 1.27, 1.28, 1.32]
v.46 lv2	10/11	4		HC3	Dynamiska modeller för tekniska system I. Introduktion av tillståndsmodeller, Modellering av roterande kopplade mekaniska system samt elektro-mekaniska system. (Kap 3.1, 4)	Quiz, JF
	11/11	5		HB3	Dynamiska modeller för tekniska system II. Modellering av termiska och fluida system. Tillståndsmodeller  (Kap 4, 3.1-3.2)	Quiz Uppgift: 9
	11/11		3	HB3	Modellering. (3.2, 3.4, 3.16), [3.1, 3.3, 3.5, 3.6, 3.20]
	12/11			TP-L22, TP-L24	Handledning - framförallt inlämningsuppgift
	13/11	6		HB3	Tillståndsmodeller, linjärisering och simulering.. (Kap 3) OBS! Denna föreläsning kl. 13-17	Quiz, Bootcamp, JF
	13/11	7		HB3		Quiz, Bootcamp Uppgift: 8,14,19
	14/11			EL41 EL43	Räknestuga	Deadline: Matematik- repetition (14/11)
v.47 lv3	17/11		4	HC3	Tillståndsmodeller. (2.1 ac, 2.4, 2.11), [2.1, 2.7, 2.10, 3.8, 3.9]
	17/11	8		HB2	Tids- och frekvensanalys. Specifikation i tidsplanet, extra poler och nollställen. Bodediagram. Icke-minimumfassystem, Padéapproximation för dödtid. (Kap 5.1-5.2 , 5.5 – 5.6, 5.8)	Quiz, Bootcamp 1, 2 Uppgift: 10,13
	17/11		5	HB2	Frekvensanalys. (5.3, 5.16), [5.1, 5.2 abf, 5.4, 5.8a]
	19/11			TP-L22, TP-L24	Handledning - framförallt inlämningsuppgift
	20/11	9		HB3	Stabilitet och stabilitetsmarginaler. Nyquistkriteriet. (Kap 6) OBS! Föreläsning 3 tim	Quiz  Uppgift: 15, 17
	21/11			TP-L24, TP-L25	Räknestuga	Deadline: Inlämnings- uppgift 1 (inlämning 21/11)
v.48 lv4	25/11	10		HB3	Återkoppling och enkla regulatorer. Återkopplade system i frekvensplanet. Frekvensanalys, Bode- och Nyquistdiagram. Återkopplade systemets frekvensberoende, känslighet och robusthet. (Kap 5.1-5.4, 7.6, 8.1)	Quiz, Bootcamp Uppgift: 16, 18
	25/11		6	HB3	Stabilitet. Nyquistkriteriet. (5.11, 5.13 med dator), [5.12abc, 5.13a]
	26/11			TP-L22, TP-L24	Handledning - framförallt inlämningsuppgift
	27/11	11		HB3	Designspecifikationer, principer för regulatordimensionering. (Kap 7)	Quiz, Bootcamp, Example, JF - Tuning: where to place the poles Uppgift: 5
	27/11		7	HB3	Återkopplade system. (4.9, 4.24, 4.19, 4.25), [4.7, 4.10, 4.15, 4.16a, 4.17, 4.21]
	28/11			EL41 EL43	Räknestuga
v.49 lv5	1/12	12		HB2	Dimensionering av reglersystem. Design av PID-regulatorer.  (Kap 8)	Quiz
	2/12	13		HB3	Alternativa regulatorstrukturer: kaskadreglering, störningsframkoppling. (Kap 8, 10)	Quiz
	2/12		8	HB3	Design av regulatorer. (6.5a, 6.8, 6.23), [6.2, 6.3, 6.6, 6.8, 6.9a, 6.10, 6.11a]
	3/12			TP-L22, TP-L24	Handledning - framförallt inlämningsuppgift
	4/12	X-tra		HB3	Reserv, saker som inte hunnits med, helhetsperspektivet, vad håller vi på med?
	4/12		9	HB3	Alternativa regulatorstrukturer. (7.5, 7.6, 7.14), [7.1, 7.2ab, 7.8ab]	Deadline: Inlämnings- uppgift 2 (inlämning 5/12)
	5/12			EL41 EL43	Räknestuga
v.50 lv6	9/12	14		HB3	Dimensionering av regulatorer på tillståndsform. Styrbarhet och observerbarhet. Tillståndsåterkoppling, polplacering. (Kap 11.1-11.2)	Quiz JF - State feedback
	9/12		10	HB3	Tillståndsmetoder, återkoppling. (2.13, 8.2a, 8.7), [8.1ab, 8.2ab, 8.3 ab]
	10/12			TP-L22, TP-L24	Handledning - framförallt inlämningsuppgift
	10/12	15		HB3	Implementering. Digital implementering av analog design, hantering av styrsignal- begränsningar. (Kap 12)	Quiz
	11/12	16		HB3	Analog och digital filtrering, sampling, vikning. (Filterhäftet)	Quiz
	11/12		11	HB3	Implementering. (9.1a, 9.2, 9.4, 9.6, 9.9a)
	12/12			TP-L22, TP-L23	Räknestuga
v.51 lv7	16/12	17		HB3	Återblick och repetition, helhetsperspektivet.	Quiz
	17/12			TP-L22, TP-L24	Handledning - framförallt inlämningsuppgift
	18/12		12	HB3	Genomräkning av gammal tenta	Deadline Inlämnings- uppgift 3 (inlämning 23/12) 19/12: Deadline för komplettering på Inlämnings- uppgift 1 &2
	ngn dag före tentan			?	Räknestuga - handledning	16/1: Deadline för komplettering på Inlämnings- uppgift 3

 

Examination

För slutbetyg (7.5 hp) krävs godkända inlämningsuppgifter samt godkänd tentamen. Kursens slutbetyg bestäms av tentamensbetyget. Tentamen betygsätts enligt betygsskala TH (3, 4, 5) med preliminära betygsgränser 12, 18 och 24 poäng av totalt 30. Det kursinnehåll, som examineras vid tentamen, utgörs av material från föreläsningarna samt materialet i kursboken enligt läsanvisningarna i denna PM.

Tentamenstillfällen: Tentamen

Tillåtna hjälpmedel: Chalmersgodkänd miniräknare, Mathematics Handbook (Beta), Physics handbook samt Formelsamling Reglerteknik M3 och D3.

Länk till kursplanen Kursplan ERE103

Kursrepresentanter

Följande personer är utsedda av utbildningsadministrationen att vara kursrepresentanter:

XXXXXX Info kommer närmare kursstarten.

Se ytterligare info om att vara kursrepresentant här. 

Lärandemål

Att kunna tillämpa reglertekniska analys- och designmetoder för att på ett ingenjörsmässigt sätt kunna lösa enklare reglerproblem. Mer specifikt gäller att du 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.