HB09-HC20
Computergestuurde Regelsystemen
Prof. Dr. ir. Bart De Moor
De studenten lossen typisch in groepjes van twee een viertal oefeningen op en maken een practicum. Het examen bestaat uit een mondelinge bespreking van de verslagen en schema's die gemaakt zijn als resultaat van enerzijds de oefeningen en anderzijds het practicum.
Meer informatie is te vinden op http://oban.esat.kuleuven.ac.be/iroptiondna/vakhomepage.php3?id=5 Deze site bevat algemene informatie over het vak, links naar specifieke webpagina's omtrent oefeningen en practicum en mogelijkheid tot downloaden van het cursusmateriaal.
In bijlage vindt u de cursus, de handleiding bij de oefening en een type-voorbeeld van een
practicumhandleiding ( er zijn 5 verschillende practica waarvan iedereen er 1 moet uitvoeren en die uiterst gelijkaardig zijn).
Wat het examen betreft, zijn 60% van de punten te behalen via de oefeningen en 40% van de punten met het practicum.
Zowel de verslagen an sich als de mondelinge toelichting worden verrekend (telkens 50%).
Beoordeling gedeelte oefeningen
Er worden vier oefenzittingen ingericht. Deze zijn zo opgesteld dat de belangrijkste onderwerpen en technieken uit de cursus aan bod komen en aan de hand van realistische voorbeelden kunnen worden ingeoefend.
Oefening 1 (over MIMO-systeemtheorie) en oefening 2 (over modelgebaseerd regelen) zijn opgevat als inoefensessies waar met de nieuw aangeleerde technieken uit de cursus kan geëxperimenteerd worden. Tijdens oefening 1 en 2 krijgen de studenten een invulblad dat op het einde van de sessie ingediend wordt. De oplossingen en correcte antwoorden worden na de oefensessie op het net beschikbaar gesteld. De invulbladen worden gekwoteerd, maar hebben een kleine wegingsfactor in het totaalresultaat.
Oefening 3 en 4 daarentegen zijn opgevat als 'real-life' ontwerpopdrachten waarin de
studenten kunnen aantonen dat ze de technieken, aangeleerd in oefenzitting 1 en 2, beheersen.
De studenten schrijven een verslag waarin ze hun ontwerp toelichten en op de gestelde vragen antwoorden. Oefening 3 en 4 vormen dan ook de basis van het examen en de beoordeling bij het gedeelte 'oefeningen'.
Puntenverdeling :
verslag oefeningen : 30% van het totaal, als volgt opgesplitst
- invulblad oefening 1 : 2,5%
- invulblad oefening 2 : 2,5%
- verslag oefening 3 : 45%
- verslag oefening 4 : 50%
mondelinge toelichting bij het gedeelte oefeningen : 30% van het totaal
- op basis van de voorliggende verslagen wordt om verduidelijking gevraagd, gepeild naar achtergrondkennis, motivatie ontwerpkeuze
- typische examenvragen :
welke parameters heb je ter beschikking om een LQR-regelaar te tunen ? Welke parameter verander je indien de ingangsdebieten bvb. de toegelaten maximumwaarden overschrijden ?
hoe zorg je ervoor dat de ingang van de LQG-regelaar binnen de vooropgestelde grenzen blijft ? Is er geen gevaar als je een saturatie toevoegt ? Welk ?
hoe ontwerp je een Kalmanfilter ? Hoe heb je dit concreet gedaan in oefening 3 ? Wat indien bepaalde ruiskarakteristieken niet gekend zijn ?
welke regelschema verkies je (full-state feedback of integrale controle) voor het regelen van een verdamper zoals in oefening 4 ?
Wat zijn de voor- en nadelen van beide methodes ? Welke methode is de meest robuuste ?
wat is de functie van de horizon in MPC-regelontwerp ? Hoe bepaal je de horizon ?
het globale toestandsruimtemodel van referentie-ingang naar geregelde uitgang blijkt niet controleerbaar te zijn ? Hoe komt dat ? Is dit een probleem ?
waarom verkies je LQR-ontwerp boven de methode van polenplaatsing of vice versa ?
welk van de gebruikte discretisatiemethodes garanderen behoud van stabiliteit ?
hoe kies je in het algemeen een gepaste bemonsteringsfrequentie ?
hoe bepaal je controleerbaarheid ?
wat is ontkoppeling ?
Beoordeling gedeelte practicum
De bedoeling van het practicum is (volledig autonoom vertrekkende van een handleiding) een LQR- regelaar te ontwerpen voor een werkelijk mechanisch systeem, in casu een omgekeerde slinger of een aanverwante opstelling, zijnde een vierde orde systeem met 1 ingang. Dit gebeurt in verschillende stappen:
Aan de hand van de mechanische en elektrische vergelijkingen (voor de aandrijvende motor) van het systeem wordt een lineair toestandsruimtemodel opgesteld (white box identification)
In Matlab kunnen verscheidene LQR regelaars ontworpen worden en in Simulink worden twee simulatieschema's gebouwd om de regelaars te ontwerpen en te analyseren: het eerste schema bevat het lineaire toestandsruimtemodel en een full state feedback LQR controller. Het tweede schema bevat tevens een aantal zaken om de praktijk beter te benaderen: ruis, D/A-convertoren en A/D-convertoren, filters, saturatie op de regelingang, enz. De bedoeling is op een doordachte manier de gewichten van het LQR-ontwerp aan te passen teneinde tot een goede regelaar te komen.
Tenslotte dient de regelaar getest te worden op de werkelijke opstelling, de verschillen met de simulatie dienen geanalyseerd te worden en eventueel kan de regelaar dan nog bijgetuned worden.
Van dit alles wordt een verslag gemaakt en hierover wordt mondeling ondervraagd.
Puntenverdeling:
Verslag: 20% van de punten, verdeeld over - Opstellen toestandsruimtemodel
- Bespreking open lus systeem (wat valt er te regelen?) - Bespreking keuze Q en R
- Bespreking ingewikkeld schema en invloed van de verschillende blokken
- Bespreking van de testen op het werkelijke systeem en vergelijking met de simulatie - Lay-out, vorm en taalgebruik
Examen op 20% van de punten
Typische vragen die op het examen aan bod komen en die ook verwacht worden besproken te zijn in het verslag:
Bespreek het open lus systeem met nadruk op de relatie tussen het wiskundig model en het werkelijk, fysisch systeem.
Er blijkt zich op sommige uitgangen een undershoot voor te doen. Wat betekent dit wiskundig? Hoe verklaar je dit fysisch?
Bespreek de invloed van de gewichten van het LQR-ontwerp op het regelgedrag. Hoe moet je op een doordachte manier rekening houden bij de keuze van de gewichten met betrekking tot het gesatureerd zijn van de ingang?
In het ingewikkelde schema worden de snelheidstoestanden niet teruggekoppeld, maar berekend uit de posities. Hoe gebeurt dit? Hoe kies je de afsnijfrequentie van het filter dat voor de berekening van deze afgeleiden staat?
Wat is het verschil tussen D/A- en A/D-conversies in Simulink en in praktijk?
Wat zijn de overblijvende verschillen tussen het ingewikkeld schema en de realiteit? Hoe uiten die zich in het regelgedrag? Welke oplossingen heb je in petto om deze problemen te vermijden?
