Säätötekniikan tehtäviä

1. Tehtävänä on tehdä Matlabilla massa-kitka-jousi-järjestelmän siirtofunktio (järjestelmä on vaakasuoralla pinnalla oleva kappale)ja piirtää järjestelmän askelvaste X(s)/F(s). m = 1kg, viskoosikitka on b = 10 Ns/m ja jousen jousivakio k = 20 N/m. Katso mallia http://www.engin.umich.edu/class/ctms/index.htm . Mitä tapahtuu, jos pienennät viskoosikitkaa?
2. Lisää edelliseen tehtävään asematakaisinkytkentä. . Mitä tapahtuu, jos suurennat vahvistusta?
3. Tehtävänä on tehdä Simulinkilla tai xcos:lla massa-kitka-jousi-järjestelmän siirtofunktio (järjestelmä on vaakasuoralla pinnalla oleva kappale)ja piirtää järjestelmän askelvaste X(s)/F(s). m = 1kg, viskoosikitka on b = 10 Ns/m ja jousen jousivakio k = 20 N/m.
4. Muokkaa 3. tehtävästä auton vakionopeussäädön simulaatio. Poista ensiksi jousi ja sen takaisinkytkentä. Laita voimaksi 1000 N ja hae b:lle sellainen arvo, että käyrä tasaantuu alle 120 sek. Lisää säätimen lähtöön tehon rajoitus eli yli 100 kW:n tehoa ei saa käyttää kiihdytyksessä. Anna auton massaksi 1500 kg ja tehoksi 100 kW. Piirrä nopeus, pyydetyn voiman ja tehon tuottaman voiman kuvaajat. Huom! Tee tehtävä Simulinkillä
5. Muuta säätimet Simulinkin PID-lohkoiksi. .
6. Mallinna Simulinkillä massa-kitka-järjestelmä.  m=1000, b=0.5 ja k=1. Mallinna järjestelmään kaskadisäätö ja lisää sekä asema, että nopeussäätimiksi PID-säätimet (käytä valmista Simulinkin PID-lohkoa). a. viritä järjestelmä nopeussäädöllä eli ohita asemasäädin, pyri mahdollisimman nopean vasteeseen ilman arvon ylitystä b. ota asemasäädin mukaan järjestelmään ja viritä järjestelmä c. lisää järjestelmään toimilaitteen eteen kuollutalue ja testaa sen vaikutus toimintaan. d. lisää toimilaitteen ja lähdön väliin välys (backlash) d. lisää piirin takaisinkytkentään siirtoviive ja testaa millä arvolla järjestelmä tulee epästabiiliksi. e. lisää järjestelmään ylikompensoitu kuolleen alueen poisto ja testaa sen vaikutus järjestelmään (laita kompensoinniksi kaksinkertainen kuollut alue).MassaJousiKaskadiSaato.mdl
7. Tehtävänä on suunnitella servojärjestelmä ja etsiä tarvittavat komponentit (servomoottori, anturit, vaihde ja siirtomekanismi) laitteistoon, joka siirtää 100kg:n massan kahdessa sekunnissa kahden metrin matkan vaakasuorassa suunnassa. Asemointitarkkuus on +/- 0.1mm. a. Kiihtyvyyden tulee olla mahdollisimman pieni. b. maksiminopeus on rajattu 1,5m/s. Työ tehdään 2...3 oppilaan ryhmissä. Käytä esimerkiksi Beckhoffin komponentteja. Siirtojärjestelmään komponentteja löytyy esimerkiksi SKS:n luetteloista. Siirtojärjestelmän voi toteuttaa hammashihnalla tai ruuvilla, tee vertailu. Vastauksena palautetaan laskelmat ja osaluettelot sekä kuvaus järjestelmästä. Jokainen palauttaa oman vastauksen ja vastauksessa ryhmän muiden jäsenten nimet. Tehtävän painoarvo on kolme. . Beckhoff_Motor_curves_en.xls
8. Valitse edellisen tehtävän servomoottorin tilalle oikosulkumoottori ja takaisinkytkentään pulssianturi. Valitse mottorille kaksi vaihtoehtoa siten, että a. moottori pyörii maksimissaan synkronista pyörimisnopeutta ja b. moottori pyörii maksimissaan kaksinkertaisella synkronisella pyörimisnopeudella. Tarkasta invertteri - moottori momenttikäyrästä, että momentti riittää. Valitse pulssianturi siten, että annetut tarkkusvaatimukset riittävät. Pulssianturin resoluution tulee olla dekadin parempi kuin vaadittava tarkkuus. Mieti miten teet takaisinkytkennän ja kiinnität pulssianturin sekä valitse komponentit! Tarvitaanko pulssianturi myös toisioakselille?
   Moottorin akselille liitettävän pulssiantruin (uppoasennusanturin) löydät esimerkiksi SEW:n sivuilta: http://www.sew-eurodrive.fi/produkt/oikosulkumoottorit-dre-drs-drp-sarja.htm#Uppoasennusanturi
9. Mallinna DC-moottorin toiminta || | ||
                                                                                                                                                         
   Moottorin tekniset tiedot :
   * roottorin hitausmomentti (J) = 0,01 kgm²
   * mekaanisen järjestelmän vaimennuskerroin (b) = 0,1 Nms
   * moottorivakio (K=K_e=K_t) = 0.01 Nm/A
   * resistanssi (R) = 1 Ω
   * induktanssi (L) = 0,5 H
   * tulo (U): syöttöjännite
   * lähtö Θ (theta): akselin kulma
   * lähtö Ω (omega): akselin kulmanopeus
   * roottori ja akseli ovat jäykkiä
   Moottori tuottaa momentin T ja kulmanopeuden dΘ/dt.

           T = K_t i           e = K_e dΘ/dt

         Mekaaniset ja sähköiset differentiaaliyhtälöt jotka voidaan kirjoittaa Newtonin ja Kirchoffin laeista, ovat seuraavat:

          J d² Θ / dt² + b dΘ/dt =K_t i

          L di / dt + R i= V - K_e dΘ/dt

         Piirrä järjestelmän askelvaste ja Bode-diagrammi.

Ohje:

- tee Laplace muunnos kahdelle edellä olevalle yhtälölle

- Eliminoi virta ensimmäisestä yhtälöstä sijoittamalla toinen ekaan

- ratkaise suhde Θ/V sekä Ω/V, tämä on moottorin siirtofunktio

10. Ratkaise edellisestä tehtävästä kulmanopeus ja piirrä sen askevaste ja Bode-diagrammi.

11. Ratkaise edellisestä tehtävästä kiihtyvyys ja piirrä sen askevaste ja Bode-diagrammi.

12. Tee edellisten perusteella PID-säädetty tasavirtamoottorikäyttö  Matlabilla/Scilabilla . Täältä löydät Matlab pohjanRatkaisu. Ratkaisu Finn Haugenin erinomainen materiaali Scilabista

13. Tee edellinen esimerkki Simulinkillä tai XCOS:lla. Mallin mukaan. Käytä moottoria 

EC 45 flat Ø45 mm, brushless, 70 Watt, with Hall sensors.  Speksit löydät  Maxonin sivuilta

14. Tehtävässä mallinnetaan Matlabilla mekaaninen järjestelmä, jossa säätimen ja toimilaitteen välillä on viivettä katso apuja täältä . Järjestelmä on PI-säädetty tasavirtamoottori, jossa

*roottorin hitausmomentti (J) = 0,1 kgm²
* mekaanisen järjestelmän vaimennuskerroin (b) = 0,2 Nms
* moottorivakio (K=K_e=K_t) = 0.01 Nm/A
* resistanssi (R) = 1 Ω
* induktanssi (L) = 0,3 H

* viive t=2s

Viritä järjestelmä ja piirrä bode-diagrammi.

15.Lataa Talo.mdl  ja TalonAlkuarvot.m tiedostot työtilaan. Varmista että current folder sisältää molemmat tiedostot, muuten Simulink malli ei löydä asetustiedostoa. Tutustu valikkoon View -> ModelExplorer­->Talo­ -> Model Workspace­>Properites, täällä määrätään alustustiedoston nimi. Muuta alustustiedoston nimi ja kokeile toimiiko  vielä. Poista talosta ikkunat, paljonko vaikuttaa lämmityskustannuksiin. Laita sähkön hinnaksi 0.30 Euroa /kWh.  Mikä on lämmityskustannus/vuosi. Tuplaa seinien paksuus, mikä on vaikutus? Muista käyttää komentoja clear workspace ja Reinitialize from source aina sen jälkeen kun muutat .m tiedoston sisältöä.

Muuta asetukset alkuperäisiksi ja korvaa on/off termostaatti saturaatiolohkolla ja hae lohkolle arvot, joilla lämmitys toimii.

Lisää taloon ilmastointi, jotta lämpötila ei nousisi päivällä.

Millaisella lämpöeristyksellä sisälämpötila nousisi vain puolet ulkolämpötilan noususta?

16. Bensiinimoottorin polttoaineensuihkutuksen ohjaus ja sytytyksen säätö.
a. Listaa tyypillisimmät moottorin ohjausyksikköön tulevat tulot ja selvitä muuttuvan mitattavan suureen alue ja on/off tulojen osalta pienin ja suurin taajuus.(2p)
b. Kuvaa  tulojen vaikutus moottorin säätöön.(eli miksi tulo on olemassa ja voisiko sen korvata jollain muulla mittauksella)(2p)
c. Listaa kaikki mahdolliset lähdöt moottorin ohjaimesta ja selvitä lähtevän suureen alue ja on/off lähdöillä tajuusalue (sytytys, polttoaineen syöttö, vaihteisto)(2p)

d. Tee malli, jolla säädät polttoaineen suihkutusmäärää mittaamiesi tulojen perusteella. 5p.

17. Mikä voima  moottorin täytyy tuottaa, että auto liikkuu 100 km/h? Auton ilman vastuskerroin on 0.29 ja ilmanvastuksen aiheuttama voima lasketaan yhtälöstä F = ½ s v² A Cv, nopeuteen verrannollinen vastus on 1 kg/s ja auton massa 2000 kg. Auton "otsapinta-ala" on 1 m². Vierintävastuksen aiheuttama voima on  mgc_r , valitse A luokan rengas ja hae  cr täältä. s edellä olevassa kaavassa on ilman tiheys 1,225 kg/m³ Tee XCOS malli. 5p. Täält löydät simulink mallin pohjaksi VakNopRajTeho.mdl

18. Edellisen tehtävän auton tehoa rajoittaa moottorin hengitysongelmat, jotka lisääntyvät lineaarisesti nopeuden kasvaessa siten, että 50 km/h nopeudella moottorin tuottama voima on 90% maksimitehosta. Mikä nyt on saavutettava nopeus. 2p.

19. Mikä on tarvittava teho, jos ajetaan ylämäkeä 100km/h,  jonka kaltevuus on 10 astetta. 2p.

20. Mikä on auton kiihtyvyys ensimmäisellä vaihteella, kun nopeus on 50 km/h. Auton moottori tuottaa vakiomomentin, joka vastaa tehtävän 15 moottorin tuottamaa momenttia, mutta nyt vaihteiston välityksellä 1:4 . Tehtävässä 15 vaihteiston välityssuhde oli 1:1 2p.

21. Mikä on auton kiihtyvyys 0..100 km/h,kun nopeudella 50 km/h vaihdetaan kakkosvaihteelle, jonka välitys on 1:2. 2p.

22. Mallinna sähkömoottori esimerkin perusteella. b. lisää moottorin akselille lisä hitausmomentti 5 kgm², joka on välityksellä 1:2 kytketty moottorin akselille. 2p

23. Lisää moottorille PI-säädin ja hae sen kertoimet. 2p

24. Mallinna ecu tehtävän 14. perusteella. Mallin  tulee kuvata ecun periaatetta eli tavallisimmat tulot pitää olla mukana. 5p.

25. Qt:llä toteutettu  simulaattori.Tutki miten saat yhdistettyä malliin Qwt x-y-grafiikan jokaista liikettä varten. 2p

26. Suunnittele servo-ohjattu lasinpyyhkijä. Määritä järjestelmän tarvitsema momentti, välitysuhde, suurin tarvittava nopeus ja valitse moottori (esim.  Maxonilta löytyy moottoreita). Suunnittele säätö, kokeile kaskadisäätöä. Vaatimuksia: tarvittava momentti 20 Nm, pyyhkäisyaika 1 s laidasta laitaan ja takaisin. Tarvittava asemointitarkkuus on 1 aste. Minimoi moottorin tehon tarve. Valitse moottorille säädin. Auton tietokone antaa ohjeen pyyhkijöille (ei sisälly tehtävään). Tehtävän voi tehdä 2...3 oppilaan ryhmissä ja tehtävä arvostellaan asteikolla 0...5 p.   Palautus Libre-office dokumenttina ja xcos tiedostona+vakiot.sci.  sahkomoottori.xcos  servoOhjattuLasinpyyhkija.xcos

Vakiot mallin testaukseen:

Moott.R=2.08;
Moott.L=0.00062;
Moott.Ke=1/(182/60*2*3.14);//kun luvun 182:n yksikkö on rpm/V
Moott.Kt=0.052;
Moott.J=0.00000725;
Moott.Damp=0.001;
vaihde.i=1/10;
Moott.Jannite=36
Vastamomentti=1;
Asemasaadin.Kp=100
Asemasaadin.Ki=10
Asemasaadin.Kd=0
Nopeussaadin.Kp=100
Nopeussaadin.Ki=10
Nopeussaadin.Kd=0

27. Mallinna edellinen tehtävä Simulinkilla. Onko tuloksilla eroa.

28. Korvaa moottori harjattomalla tasavirtamoottorilla. Mitä huomaat?

29. Tee RLC-piirin malli ohjeen Control System Toolbox in Scilab.pdf mukaisesti. Esimerkki moniporttisen integraattorin käytöstä  integr_m.xcos 5p

30. Tee rehtävästä 25 Bode-diagrammi