Course syllabus

Kurs-PM

Dynamiska System och Reglerteknik LEU236

Medverkande lärare i kursen
Bertil Thomas, docent, tel 070-619 0039, rum 426, Jupiter.
Examinator, föreläsare mm, bertil.thomas@chalmers.se
(Nås lättast med vanligt mail)

Jonas Krook, doktorand, labb-handledare,
Övningshandledare mm, jonas.krook@zenuity.com

Kursmaterial
Följande material säljs på Kokboken/Cremona
• Lärobok: Modern Reglerteknik, (upplaga 5, 524 sid) av Bertil Thomas, Liber
• Övningsbok: Modern Reglerteknik, (upplaga 5, 205 sid) av samma författare

Följande kursmaterial delas ut men kommer även läggas på kurshemsidan
• Kurs PM.
• Laborations-PM till labbar.
• Inlämningsuppgifter i reglerteknik.
• Bodediagram.

Frivilligt extramaterial som också kommer att läggas på hemsidan.
• Häfte med kopior på de flesta OH-bilder som visas på föreläsningarna.
• Tre gamla tentor med lösningar
• Formelsamling i reglerteknik
• Häfte med lösningar till vissa av uppgifterna ur övningshäftet.
• Framtidens intelligens: Populärvetenskaplig bredvidläsningsbok om intelligenta och återkopplade system. (Boken kom 2003, men är ännu aktuell – innehåller mycket om reglerteknik)

Tentamen
Kursen avslutas med en skriftlig tentamen med datum enligt upplysningar
på studieportalen. Följande material får medtas på tentamen:
• Typgodkänd miniräknare
• Läroboken ”Modern Reglerteknik”
• Formelsamling i reglerteknik (den som finns på kurshemsidan)
• Matematiska formelsamlingar.
• Bodediagram får medtas, men delas även ut vid tentamenstillfället.
Övningsbok får inte tas med på tentan och inte heller något annat material från kursen. Inga anteckningar är tillåtna i medtaget kursmaterial.
OBSERVERA. Läroboken innehåller alla formler som finns i formelsamlingen, så formelsamlingen är egentligen inte alls nödvändig att ta med. Men om du ändå vill ta med den så får du skriva ut den själv. Den delas inte ut på tentan.
Obligatoriska moment i kursen.

Laborationer.

Tre laborationer ingår i kursen enligt nedan. Alla tre ska lösas i grupper om två elever. Laborationstider finns längre fram i detta kurs-PM. Laborationsmaterialet och relaterat material måste vara noga genomläst och förstått före varje laboration.
1. Nivåreglering PID – del 1 (2 timmar)
2. Matlab Control Toolbox (2 timmar)
3. Nivåreglering PID – del 2 (2 timmar).

Inlämningsuppgifter

Två obligatoriska inlämningsuppgifter ingår i kursen enligt nedan. Inlämningsuppgifterna löses i grupper med två personer i varje grupp. I undantagsfall kan man arbeta en och en. Båda inlämningsuppgifter behandlar Matlab/ Simulink
.
• Inlämningsuppgift 1: Matlab Control Toolbox + Simulink.
• Inlämningsuppgift 2: Digital reglering av en traverskran.

Inlämningsuppgifterna ska redovisas i form av tydliga skriftliga rapporter. En rapport per grupp. Dessa ska inlämnas i pappersform* direkt till examinatorn eller i examinatorns fack utanför institutionen på plan 4 i Jupiter. (Facken ligger mellan hissarna och trappan på plan 4). Följande datum gäller för inlämning av Era uppgifter:
Inl. uppgift 1 Fredag 29 november kl 15.00
Inl. uppgift 2 Fredag 13 december kl 15.00

Rättade inlämningsuppgifter kommer att lämnas tillbaka på föreläsning alternativt kan de hämtas av Er i en låda ovanpå hyllan med fack på plan 4 i jupiter. Vi meddelar via canvas när de är rättade. Returer ska efter komplettering inlämnas senast 9 arbetsdagar efter första inlämningsdatum. Alla slutgiltiga returer måste vara inlämnade senast den 14 januari 2020 kl 12.00. På tentamen kommer frågor som direkt anknyter till inlämningsuppgifterna. Även uppgifter på Matlab och Simulink kommer ofta på tentamen.

*) Om du av speciella skäl inte kan lämna in i pappersform, t ex om du är sjuk, så kan du skicka med mail. Men helst vill vi ha i pappersform för att kunna ge bra återkoppling och göra bra noteringar.

Gästföreläsning.

Det kommer eventuellt att bli en gästföreläsning i kursen. Om det blir en sådan kommer den att vara obligatorisk. Mer information om detta längre fram.

Kursens uppläggning, förkunskaper mm
Kursen, som ger 7,5 högskolepoäng (motsv ca 200 timmars arbete) innehåller ca 60 timmar lärarledd undervisning. Större delen av arbetet med att inhämta kursens innehåll ligger sålunda på hemarbetet. Föreläsningar och övningar behandlar de delar av kursen där mest lärarhjälp normalt behövs. Några avsnitt i kursboken, som enkelt kan läsas in på egen hand, behandlas inte alls på föreläsningarna.
Viktiga förkunskaper till kursen i reglerteknik är räkning med komplexa tal, något om lineära differentialekvationer, lösning av lineära ekvationssystem mm. I kursbokens appendix finns en sammanfattning av de viktigaste reglerna för komplexa tal.
Det är inga förändringar i kursinnehållet sedan föregående tillfälle kursen gavs. Däremot finns förändringar i inlämningsuppgifter och andra mindre detaljer.

Preliminärt föreläsningsprogram
Preliminärt program för föreläsningar samt läsanvisning (sidor i boken) framgår av nedan.
(Fö-nr Preliminärt inehåll, moment, Sidor i kursbok, Övningsuppgifter)

VECKA 1

1
Introduktion till reglerteknik. Användnings-områden. Blockschemaritning. Stegsvar.
1-39
1.2

2
Egenskaper hos reglersystem: stabilitet, störningsdämpning, styrsignalaktivitet mm. Tvålägesreglering. P-reglering.
40-59

3
Mer om reglerprinciper. PI-reglering, PID-reglering mm. Ziegler-Nichols metod.
59-70
11.1

VECKA 2
4
Laplacetransformen och dess användning i reglertekniken. Överföringsfunktioner. Bestämning av tidsförlopp i tekniska system.
78-100
107-120
6.5e 6.6 a,d, 6.7a, 6.8 a,c

5
Modellering av tekniska processer (temperaturprocesser + mekaniska system).
100-107
7.1b, 7.7, 7.15a,

6
Forts. modellering av dynamiska system. Nivåsystem, system med dödtid mm. Stegsvarsidentifiering.
Blockschematransformering,
124-132
7.16 b,c 7.10
Extra uppgifter

VECKA 3
7
Frekvensegenskaper hos lineära system. Ritning av Bodediagram. (Denna föreläsning är delvis repetition från lineära system mm)
133-153
Extra uppgifter

8
Bodediagram, asymptotmetoden. Experimentell frekvensanalys. Bestämning av egenskaper hos reglersystem: Stabilitet, Polbestämningsmetoden, Rouths meetod.
154-158
159-170
10.3a

9
Stabilitet, Nyquistkriteriet. Mer om asymptotmetoden, Något om Matlab & Simulink, Nyquistdiagram.

VECKA 4

10
Statisk noggrannhet. Snabbhet.
170-177
10.17a,b 8.9
Extra uppgift 1-2

11
Resumé i halvtid, Störningsdämpning,
Styrsignalaktivitet.
177-185
10.22b, 10.10, 8.10

12
Sammanfattning: Kapitlet om egenskaper hos reglersystem. Dimensionering av PID-regulatorer med olika metoder: Ziegler-Nichols metod, Lambdametoden, dim med Bodediagram mm
190-193
194-204
11.4, 11.7

VECKA 5

13
Dimensionering av P- och PI-regulatorer med bodediagram. Något om lead- och lagfilter.
204-214
11.8, 11.13a

14
Dimensionering av PID-regulatorer med bodediagram, Modellbaserad dimensionering.
214-240
12.5

Gästföreläsning alt. reservtid
Eventuell obligatorisk gästföreläsning alternativt reservtid.

VECKA 6

15
Rep. modellbaserad dimensionering. Framkoppling, kaskadreglering. Introduktion till tidsdiskret reglering. Z-transformen.
240-248
295-317
12.12, 16.1, 16.4a-b,
16.6b, 16.7a,

16
Forts. tidsdiskret reglering. Diskretisering.
Egenskaper hos tidsdiskreta system. Inledning.
318-322
16.8a, 17.1b,e, 17.3

17
Forts. egenskaper hos tidsdiskreta system. Dimensionerig av tidsdiskreta system med bilineär transform. Kortfattat om polplaceringsmetoden.
333-357
18.1, 18.4, 18.9a,
19.3

VECKA 7

18
Tillståndsmodeller – introduktion. Begreppet tillstånd, fördelar med tillståndsmodeller mm.
269-279
14.12, extrauppgifter

19
Mer om tillståndsmodeller. Transformering mellan överföringsfunktioner och tillståndsmodeller, modellering mm.
280-286
14.3a, extrauppgifter

20
Kort resumé + Repetition av den analoga reglertekniken inför tentamen samt räkning av gamla tentamenstal.
Repetitionsuppgifter från gamla tentor mm

OBSERVERA!
• Följande sidor i läroboken ingår i kursen, men tas inte upp på föreläsningarna (mest för självstudier alltså): sid 154-157, 404-460 och 477-504.
• Sidorna 185-188, 249-268, 358-402 och 461-476 ingår inte i kursen.
• Sidorna 72-77 är repetition av saker som tidigare behandlats i matematiken. Behöver ej läsas.
• Observera speciellt att kapitel 21 och 22 (sid 404-460) ska läsas in på egen hand.

 

Övningsprogram och rekommenderade hemuppgifter

Varje vecka är två övningstillfällen inlagda på schemat. Samma uppgifter räknas vid båda tillfällen. Ibland är det bara det ena tillfället som passar för dig schemamässigt, ibland kan båda passa (beroende på vilket program du går på). Välj själv när du vill gå. Andelen demo-räkning resp. räknestuga bestäms i samråd med övningsledaren som anpassar sig till majoritetens önskemål.
(Läs-vecka Tal som räknas på övning, Rekommenderade hemuppgifter)
1
1.1 4.6 4.10 4.11 6.3 6.5d,g 6.7b-c 6.8b,d
1.3, 2.1-2.4, 3.1-3.9, 4.1-4.5, 4.7-4.9
6.1a-e, 6.2, 6.5a-c,f, 6.6d, 6.7d, 6.9c,d, 6.12a
2
6.9b 6.10 6.12a 7.1a 7.2 7.11 7.17b,c 8.5a,b
6.14, 7.5, 7.6, 7.8, 7.10, 7.16a,d
8.1-8.3, 8.5e, 8.6, 8.8,
3
8.5c,d 8.7 9.1e-g 9.4 9.8e,f
9.1a-d,h-i, 9.2c,d, 9.3, 9.6, 9.8a-d
4
9.10 10.4 10.8 10.9 10.12 10.15 10.17d 10.20 10.26
10.1a-c, 10.2, 10.3b, 10.7, 10.11, 10.13, 10.14, 10.17b-c, 10.19, 11.2
11.5a, 11.9 11.13b
5
11.3 11.10 11.11 11.17 12.4 12.9
12.3, 12.6, 12.13, 16.5b-c, 16.6a, 16.7b, 18.1b
6
12.11 16.4c,d 17.1h 17.2 17.5 18.2 18.4b 18.8b
17.1a, c, d, g, 17.2, 17.3, 18.3a-c, 18.6a-c, 18.8a, 19.1,
7
14.1 14.2 14.4 14.9 14.5
14.1, 14.2, 14.3, 14.8, 14.11,

OBS. Numreringen av uppgifter gäller upplaga 5 av övningsboken (i A5-format med blått omslag). För Er som använder äldre upplaga av boken (i A4-format med rödbrunt omslag) gäller att hemuppgifterna 11.5, 11.8 och 11.13b motsvaras av 11.4, 11.7 och 11.11b.

När ska jag labba?
Av nedanstående listor framgår vilka tider som just Du ska labba. Alla laborationer är 2-timmarslaborationer. Aktuell labbtid beror på de första bokstäverna i ditt efternamn enligt nedanstående listor.

Laboration 1
PID-reglering – del 1 – 2 timmar
Sal: Tanken

(Program Efternamn Dag och tid)
Mekatronik
A-C
Onsdag 6/11, 15-17

D-H
Måndag 11/11, 8-10

I-M
Måndag 11/11, 10-12

N-Ö
Fredag 15/11, 8-10

Elektro
A-D
Fredag 15/11 10-12

E-L
Fredag 15/11 13-15

M-Ö
Fredag 15/11 15-17

Laboration 2
Introduktion och övning med Matlab Control Toolbox mm – 2 timmar
( Program Efternamn Dag och tid Sal)

 
Mekatronik
A-H
Torsdag 21/11, 8-10
J 309, J 310

I-Ö
Fredag 22/11, 13-15
J 309, J 311

Elektro
A-J
Onsdag 27/11, 10-12
J 308, J 311

K-Ö
Torsdag 28/11, 8-10
J 309, J 310

Laboration 3
Nivå-reglering PID – del 2 - 2 timmar
Sal: Tanken (Program Efternamn Dag och tid)

Mekatronik
A-C
Tisdag 10/12, 8-10

D-H
Tisdag 10/12, 10-12

I-M
Fredag 13/12, 8-10

N-Ö
Fredag 13/12, 10-12

Elektro
A-D
Fredag 6/12, 13-15

E-L
Fredag 6/12, 15-17

M-Ö
Fredag 20/12, 10-12

Hur ska jag klara kursen?
Hur ska man studera för att klara denna kurs med så bra resultat som möjligt?
Forskning visar att man med bra studieteknik kan klara sina universitetskurser med mindre än halva arbetet jämfört med om man har dålig studieteknik. Några studietekniska tips som kan vara viktiga ges här:

Att hänga med från början
Det är alltid en bra teknik att hänga med ända från början i en kurs. Det som gås igenom längre fram under kursen bygger mycket på det man gjort i början. Om man inte hänger med från början brukar man inte alls hänga med i mitten och slutet. Detta ger en mycket sämre verkningsgrad på dina studier vilket betyder en mycket större totaltid än annars.

Efter varje föreläsning/övning
Lägg 5-10 minuter på att försöka rekapitulera viktigaste sakerna som lektionen innehöll. Gör detta samma dag som lektionen. Vilka var huvudpunkterna? Vilket var mest viktigt? Försök först komma ihåg direkt ur huvudet. Om du inte kommer ihåg, så titta på anteckningarna. Det är bra för minnet att försöka rekapitulera medan man ännu har kvar ett svagt minne av vad som sades.

Lägg in minirepetitioner i dina studier
Dela upp varje studiepass i enheter om max 45 minuter.
Efter varje pass, lägg 5 minuter på att aktivt försöka minnas det viktigaste av det du just läst. Med sådana minirepetitioner ökar chansen att man kommer ihåg mycket mer för framtiden. Det är alltså väl använd tid för att få saker att fastna i hjärnan.

Efter varje tal som räknats på tavlan
Försök lösa samma tal på egen hand. Gör detta samma dag som varje övningspass. Även om man förstod det som gjordes på tavlan är det en annan sak att klara uppgiften på egen hand. Vid behov, gå tillbaka till dina anteckningar.

Öka din motivation.
Motivation är jätteviktigt. Den som är motiverad lär sig mycket bättre än den som är omotiverad. Som tur är går det att påverka motivationen genom sina tankar. Försök själv komma på hur du blir motiverad. Det kan ibland hjälpa att försöka besvara följande frågor: Vad är mest intressant med kursen? Varför är detta ämne kul att kunna? Vilken nytta kan jag ha av detta i framtiden?

Förkunskaper
För varje kurs behövs förkunskaper. Till denna kurs behövs kunskaper om komplexa tal och differentialekvationer. Det kan vara bra att göra en snabbrepetition av gamla kunskaper som förberedelse innan motsvarande avsnitt tas upp i denna kurs.

 

Lärandemål

• förklara innebörden i begreppen dynamik och återkoppling
• förklara och beskriva grundläggande reglerteknisk terminologi inklusive begrepp som öppna och slutna system, linjära system samt tidskontinuerliga och tidsdiskreta system
• ställa upp modeller för enkla dynamiska system i form av differentialekvationer, överföringsfunktioner och tillståndsmodeller.
• använda vanliga matematiska hjälpmedel för analys och dimensionering av återkopplade system, såsom blockschemametodik, laplacetransformering, bodediagram, nyquistdiagram, z-transformering, diskretisering m m
• analysera och kvantifiera egenskaper och prestanda hos återkopplade linjära system, såsom snabbhet, noggrannhet, störkänslighet och robusthet i form av stigtid, insvängningstid, översväng, dämpning, förstärkning, bandbredd och stabilitetsmarginaler
• dimensionera analoga reglersystem med vanligt förekommande metoder, t ex dimensionering med tumregelmetoder, Bodediagram samt modellbaserad dimensionering.
• dimensionera tidsdiskreta reglersystem genom diskretisering av analoga regulatorer samt med polplaceringsmetoden.
• använda Matlab med Simulink för att analysera och simulera olika typer av dynamiska system.