Szabályozástechnika

Az előadások részletes tematikája:

1. Irányítástechnikai és szabályozástechnikai alapfogalmak (2 óra előadás): Az irányítás fogalma, irányítási struktúrák, az érzékelés-döntés-beavatkozási hurok. Szabályozás és vezérlés elve, összehasonlításuk. Működési vázlat, hatásvázlat, a szabályozási körök elemei, külső és belső jelei. Az alapjelkövetési és a zavar-, valamint zajelnyomási feladat. Szabályozási körök statikus és dinamikus minőségi jellemzői, hibaintegrálok. Szabályozások osztályozása. Egyes rendszerek, folyamatok modellezése a fizikai törvényszerűségek alkalmazásával (példákon keresztül). Folytonosidejű nemlineáris rendszer állapotegyenletének munkaponti linearizálása.

2. Folytonosidejű lineáris szabályozások analízise frekvenciatartományban (4 óra előadás): Alapkapcsolások, felnyitott kör, visszacsatolt rendszer, a szabályozási kör külső és belső változói közötti átvitelek. A körerősítés és típusszám, a szabályozási kör állandósult állapota. Tranziensek közelítése domináns póluspárral. Felnyitott kör aszimptotikus amplitúdó-jelleggörbéjének felrajzolása, a vágási frekvencia meghatározása, az alapjelkövetés sávszélessége. A szabályozási kör stabilitása, zérus állapot és zérus bemenet stabilitás. Stabilitás kritériumok: Nyquist-kritérium, Bode-kritérium, fázistöbblet, erősítéstöbblet, vágási frekvenciák. A stabilitási tartalék jellemzése.

3. Folytonosidejű lineáris szabályozások tervezése frekvenciatartományban (4 óra előadás): PID típusú szabályozók: az arányos, integráló és ideális/közelítő deriváló hatások és kombinációik. Integrátor telítődésének megelőzésére alkalmazható antiwindup megoldások. A P/PI/PD/PID szabályozók jellemzői. PID szabályozók hangolása előírt statikus pontosság és fázistöbblet esetén a sávszélességet maximalizáló pólus-zérus kiejtési stratégiák alkalmazásával, illetve a beavatkozó jel korlátosságának figyelembe vételével. Holtidős tagot tartalmazó rendszer irányítása: az ideális holtidős tag jellemzői és integráló szabályozása.

4. Diszkrétidejű lineáris szabályozások analízise (2 óra előadás): A Shannon-féle mintavételezési törvény. Tartószervek alkalmazása az ideális aluláteresztő szűrő helyett, következmények a szabályozási kör stabilitására. Folytonosidejű szakasz és szabályozó diszkrétidejű megfelelője nulladrendű tartószerv esetén. Analóg kompenzáló tagok (PID szabályozók) mintavételes implementálása: differenciáló és integráló operátorok mintavételes közelítése, egységugrás ekvivalencia.

5. Diszkrétidejű lineáris szabályozások tervezése (4 óra előadás): A mintavételes PID-szabályozó hardver/szoftver megvalósítása. Nagy késleltetést tartalmazó rendszer szabályozása Smith-prediktorral. Véges beállású (deadbeat) szabályozás elve, a zárt kör átviteli függvényeinek tulajdonságai, a szabályozó tervezésének visszavezetése korrekciós polinom meghatározásra. Kétszabadságfokú szabályozás tervezése: az alapjelkövetés és a zavarelnyomás tranziensenek szétválasztása a kétszabadságfokú struktúrával, a referencia modell és a megfigyelő polinom megválasztása, a tervezés visszavezetése lineáris egyenletrendszer megoldására, a kauzalitási feltételek betartása, a paraméterváltozások hatása.

6. Folytonosidejű szabályozási körök analízise és szintézise állapottérben (4 óra előadás): Irányíthatóság és megfigyelhetőség folytonosidejű lineáris rendszer esetén, a teljes irányíthatóság és megfigyelhetőség kritériumai. Pólusáthelyezés állapotvisszacsatolással, Ackermann-képlet. Teljesrendű állapotmegfigyelő tervezése, algebrai hasonlóság a pólusáthelyezési feladattal. Az állapotvisszacsatolás dinamikus kiterjesztései: terhelésbecslő és integráló szabályozás méretezése.

7. Diszkrétidejű szabályozási körök analízise és szintézise állapottérben (4 óra előadás): Diszkrétidejű rendszerek elérhetősége, irányíthatósága, megfigyelhetősége és rekonstruálhatósága. Algebrai hasonlóságok és különbségek a folytonos idejű esethez képest. Pólusáthelyezés és aktuális megfigyelő tervezése diszkrétidejű rendszerek esetén, integráló szabályozás és terhelésbecslés a diszkrét idejű esetben. Az aktuális megfigyelő számításainak felbontása valós idejű implementáció esetében (predikciós és korrekciós fázisokra).

8. Állásos szabályozások (2 óra előadás): az állásos szabályozások működési elve, kapcsolási stratégiák, határciklus, az állásos szabályozás és lineáris szabályozók között átkapcsolások kezelése. 

9. Összefoglalás és kitekintés (2 óra előadás): a félév során ismertetett fogalmak, tervezési módszerek és azok összefüggéseinek rendszerezett áttekintése. A szabályozástechnika egyes modern irányzatai és újabb eredményei (példák alapján, évről évre változó illusztrációkkal). 

A gyakorlatok és számítógépes laborok részletes tematikája (minden elemhez két alkalom tartozik):

1. Jelek és rendszerek fogalmainak ismétlése, SISO LTI rendszerek megadása (állapotegyenlet és átviteli függvény), az egytárolós tag és a kéttárolós lengőtag jellemzői. Frekvencia és időtartománybeli válaszok (Nyquist-görbe, Bode-diagram, ugrásválasz, impulzusválasz). Matlab fejlesztői környezet alapfunkciói és használatuk, SISO LTI rendszerek vizsgálatának eszközei a Control System Toolbox szolgáltatásaival, az LTI böngésző (LTI viewer) használata. Hatásvázlat felépítése Simulink segítségével. Munkaponti linearizálás.

2. Szabályozási kör átviteli függvényei és analízise frekvencia tartományban. Átviteli függvények felírása a külső és a belső jelek között zárt körben. A felnyitott kör átviteli függvényének paraméterezése, körerősítés és típusszám meghatározása, állandósult állapotok számítása. Stabilitás kritériumok alkalmazása, vágási frekvencia és fázistöbblet meghatározása. (Opció: Hurwitz-kritérium bemutatása példákkal.)

3. PID szabályozók méretezése adott fázistartalékra, folytonos időben. Kézi (papír alapon elvégezhető) méretezés egyszerű (kéttárolós) szakaszokhoz. Előírt fázistartalék beállítása a felnyitott kör Bode-diagramja segítségével. A szabályozó paramétereinek számítása egyenletrendszer numerikus (Matlab által támogatott) megoldásával, hogy adott a beavatkozó jel maximális értéke. 

4. Diszkrét idejű szabályozók méretezése. Folytonos időben méretezett PID szabályozók mintavételi idejének meghatározása és differenciaegyenletük meghatározása. Kétszabadságfokú szabályozó méretezése (integrátorral és integrátor nélkül), a differenciaegyenletek meghatározása, a zárt kör szimulálása.

5. Irányíthatósági és megfigyelhetőségi kritériumok használata folytonosidejű rendszerekhez. Állapoteres szabályozók méretezése folytonos időben. A zárt kör sajátértékeinek specifikációja a szakasz sajátértékei alapján. Erősítések számítása a szabályozó komponenseihez: állapotvisszacsatolás, állapotmegfigyelő, alapjel, terhelésbecslő és integráló hatás. Labilis szakasz állapotteres szabályozása, a sajátértékek és beavatkozó jelek nagysága közötti összefüggések vizsgálata.

6. Irányíthatósági és megfigyelhetőségi kritériumok használata diszkrétidejű rendszerekhez Állapotteres szabályozók méretezése diszkrét időben. Erősítések számítása a szabályozó komponenseihez: állapotvisszacsatolás, aktuális állapotmegfigyelő, alapjel, terhelésbecslő és integráló hatás. 

7. A szakasz átviteli függvényének meghatározása mérésekből (Matlab támogatással), majd egy kiválasztott szabályozó méretezésének elvégzése. A Matlab méretezést támogató szolgáltatásinak rendszerezett összefoglalása és kitekintés a fejlesztőkörnyezet aktuális verziójában igénybe vehető további szolgáltatásira. Az elektronikus vizsgafelület kezelésének összefoglalása.