Analiza syntezy układu sterowania feedback-feedforward z modelem niestabilnych, nieminimalnofazowych obiektów z opóźnieniem

pol Article in Polish DOI: 10.14313/PAR_254/21

send Robert Bieda Politechnika Śląska, Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki, Katedra Automatyki i Robotyki, ul. Akademicka 2A, 44-100 Gliwice

Download Article

Streszczenie

W pracy dokonano pełnej analizy proponowanego mechanizmu syntezy odpornego układu regulacji. Wykazano równoważność, popularnej w ostatnich latach, struktury MFC i klasycznej FB-FF. Na przykładzie drugiej struktury szczegółowo omówiono i pokazano proces syntezy układu sterowania wraz z jego wpływem na charakter uzyskanego układu. Rozważania prezentowanego mechanizmu syntezy układu regulacji obejmują szerokie spektrum dynamik obiektów regulacji od klasycznych, przez nieminimalnofazowe, z czasem opóźnienia oraz niestabilne. Wszystkie rozważania teoretyczne poparte zostały wynikami symulacyjnymi przykładowych układów regulacji. Przedstawiono również wariant syntezy umożliwiający zmniejszenie wpływu ograniczenia dynamiki zakłóceniowej układu regulacji przez dynamikę obiektu. Jako ciekawostkę zaprezentowano zjawisko zachodzące dla szybkich struktur pętlowych ze sprzężeniem zwrotnym, które umożliwia odwrócenie mechanizmu syntezy i bezpośrednie uwzględnienie wpływu dynamiki regulatora.

Słowa kluczowe

FB-FF, MFC, parametryzacja Youla-Kucera, regulacja nadążająca za modelem, regulacja otwarto-zamknięta, synteza układu regulacji automatycznej

Analysis of the Synthesis of a Feedback-Feedforward Control System with a Model of Unstable, Non-minimal Phase and Time-Delay Objects

Abstract

The paper fully analyzes the proposed mechanism for synthesizing a robust control system. The equivalence, popular in recent years, of the MFC structure and the classical FB-FF structure was demonstrated. Using the example of the second structure, the process of synthesis of the control system is discussed in detail and shown, along with its impact on the nature of the obtained system. Considerations of the presented control system synthesis mechanism cover a wide spectrum of control object dynamics from classical, through non-minimum phase, time delay and unstable. All theoretical considerations are supported by simulation results of exemplary control systems. Also presented is a variant of synthesis that allows reducing the impact of the limitation of the disturbance dynamics of the control system by the dynamics of the object. As an interesting feature, a phenomenon occurring for high-speed loop structures with feedback is presented, which makes it possible to reverse the synthesis mechanism and directly take into account the influence of controllers dynamic.

Keywords

control system synthesis, FeedBack-FeedForward Control System, Model Following Control, Youla-Kucera parametrization

Bibliography

  1. Åström K.J., Murray R.M., Feedback Systems, An Introduction for Scientists and Engineers, Princeton University Press, 2008.
  2. Bars R., Bányász Cs., Keviczky L., Introducing New Paradigms in Basic Control Education Using the YOULA Parameterisation; International Conference on Engineering Education and Research, Sydney, Australia, 2016.
  3. Bequette B.W., Process Control: Modeling, Design, and Simulation, Second Edition, Pearson, 2002.
  4. Bieda R., Kompleksowa analiza syntezy układu sterowania z modelem procesu dla obiektów nieminimalnofazowych z opóźnieniem i niestabilnych, „Przegląd Elektrotechniczny”, R. 100, Nr 9, 2024, 11–21, DOI: 10.15199/48.2024.09.02.
  5. Błachuta M., Bieda R., Grygiel R., High performance single tank level control as an example for control teaching, 25th Mediterranean Conference on Control and Automation (MED), Malta, 2017, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1053–1058, DOI: 10.1109/MED.2017.7984257.
  6. Błachuta M., Bieda R., Grygiel R., High performance PID control design based on time-scale separation – a case study, 2018 6th International Conference on Control Engineering & Information Technology (CEIT), Istanbul, Turkey, 2019, Institute of Electrical and Electronics Engineers, DOI: 10.1109/CEIT.2018.8751865.
  7. Błachuta M., Bieda R., Grygiel R., PID regulatory control design for a double tank system based on time-scale separation, Intelligent information and database systems, 11th Asian Conference, ACIIDS 2019, Yogyakarta, Indonesia, April 8-11, 2019, Springer, 420–430, DOI:10.1007/978-3-030-14799-0-36.
  8. Błachuta M., Bieda R., Grygiel R., High performance control of a coupled tanks system as an example for control teaching, 23rd International Conference on Methods & Models in Automation and Robotics (MMAR 2018), Międzyzdroje, Poland, 2018, 309–314, DOI: 10.1109/MMAR.2018.8486040.
  9. Brzózka J., Szcześniak J., Układ regulacji prędkości obrotowej typu MFC z regulatorem rozmytym, Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie, Nr 1/73, Explo-Ship 2004, Szczecin 2004, 89–99. 
  10. Brzózka J., Regulatory i układy automatyki, PWN Mikom, 2004, ISBN: 83-7279-380-8.
  11. Chen P., Zhang Y., Wang J., Azar A.T., Hameed I.A., Ibraheem I.K., Kamal N.A., Abdulmajeed F.A., Adaptive Internal Model Control Based on Parameter Adaptation, “Electronics”, Vol. 11, No. 23, 2022, DOI: 10.3390/electronics11233842.
  12. Emirsajłow Z., Teoria układów sterowania, Część I. Układy liniowe z czasem ciągłym, Skrypt Politechniki Szczecińskiej, Seria Tempus, Szczecin, 2000.
  13. Keviczky L., Bányász C., Some Philosophical Paradigms in Education of Modeling and Control. “Universal Journal of Educational Research”, Vol. 5, 2017, 2196–2208, DOI: 10.13189/ujer.2017.051209.
  14. Mahtout I., Navas F., Milanes V., Nashashibi F., Advances in Youla-Kucera parametrization: A Review, “Annual Reviews in Control”, Vol. 49, 2020, 81–94, DOI: 10.1016/j.arcontrol.2020.04.015.
  15. Błachuta M.J, Bieda R., Grygiel R., Time response parameters and control design for second-order nonminimum-phase systems, “Archives of Control Sciences”, Vol. 34, No. 2, 2024, 323–348, DOI: 10.24425/acs.2024.149663.
  16. Mohammadzaheri M., Chen L., Behnia-Willison F., Aryan P., A design approach for feedback-feedforward control systems, IEEE International Conference on Control and Automation, 2009, 2266–2271, DOI: 10.1109/ICCA.2009.5410298.
  17. O’Dwyer A., Handbook of PI and PID controller tuning rules, 3rd Edition, Imperial College Press, 2009.
  18. Orsini V., An inversion-based Feedback/Feedforward control for robust and precise payload positioning in gantry crane systems, “Asian Journal of Control”, Vol. 25, No. 3, 2022, 1715–1730, DOI: 10.1002/asjc.2811.
  19. Osypiuk R., A New Approach to Compensator Design Based on Multi-Loop Technique and Scalable Forward Model Complexity, “Electronics”, Vol. 10, No. 24, 2021, DOI: 10.3390/electronics10243049.
  20. Pajchrowski T., Adaptacyjny i odporny regulator neuronowy w dwupętlowej strukturze MFC dla napędu o zmiennych parametrach, „Przegląd Elektrotechniczny”, Vol. 90, Nr 5, 2014, 35–40, DOI: 10.12915/pe.2014.05.07.
  21. Pegel S., Engell S., Design of PID Controllers via Frequency Response Approximation, “IFAC Proceedings Volumes”, Vol. 33, No. 4, 2000, 63–68, DOI: 10.1016/S1474-6670(17)38222-8.
  22. Rivera D.E., Morarl M., Skogestad S., Internal Model Control: PID Controller Design, “Industrial and Engineering Chemistry Process Design and Development”, Vol. 25, No. 1, 1986, 252–265, DOI: 10.1021/i200032a041.
  23. Rosołowski E., Podstawy regulacji automatycznej, Politechnika Wrocławska, Wrocław, 2021.
  24. Saglam C.O., Baran E.A., Nergiz A.O., Sabanovic A., Model following control with discrete time SMC for time-delayed bilateral control systems, IEEE International Conference on Mechatronics, 2011, 997–1002, DOI: 10.1109/ICMECH.2011.5971262.
  25. Skogestad S., Postlethwaite I., Multivariable Feedback Control: Analysis and Design, 2nd Edition, John Wiley & Sons, 2001.
  26. Skoczowski S., A robust control system utilizing the plant model. (in Polish). “Pomiary Automatyka Kontrola”, No. 9, 1999, 2–4.
  27. Skoczowski S., The Robust Control System With Use of Nominal Model of Controlled Plant, “IFAC Proceedings Volumes”, Vol. 33, No. 10, 2000, 911–916, DOI: 10.1016/S1474-6670(17)38656-1.
  28. Skoczowski S., Domek S., Robust Model Following Control System, “IFAC Proceedings Volumes”, Vol. 33, No. 25, 2000, 143–148, DOI: 10.1016/S1474-6670(17)39330-8.
  29. Touati N., Saidi I., Soudani D., Modified internal model control for unstable systems, 2018 International Conference on Advanced Systems and Electric Technologies (IC ASET), Hammamet, Tunisia, 2018, 352–356, DOI: 10.1109/ASET.2018.8379881.
  30. Visioli A., Practical PID Control, Springer-Verlag, 2006.
  31. Wang X.-S., PID controller tuning method for improving performance, “Optics and Precision Engineering” (China), 8(4), 2000, 381–384.
  32. Wang Q.-G., Lee T.-H., Fung H.-W., Bi Q., Zhang Y., PID tuning for improved performance, “IEEE Transactions on Control Systems Technology”, Vol. 7, No. 4, 1999, 457–465, DOI: 10.1109/87.772161.
  33. Wen T., Horacio J.M., Tongwen Ch., IMC design for unstable processes with time delays, “Journal of Process Control”, Vol. 13, No. 3, 2003, 203–213, DOI: 10.1016/S0959-1524(02)00058-6.
  34. Yurkevich V.D., Błachuta M., Grygiel R., Bieda R., Model matching level control for a coupled tanks system using time-scale separation technique, 22nd International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR 2017), 28-31 August 2017, Międzyzdroje, Poland, 2017, 537–542, DOI: 10.1109/MMAR.2017.8046885.
  35. Ziegler J.G., Nichols N.B., Optimum Settings for Automatic Controllers. “Transactions of the ASME”, Vol. 64, 1942, 759–768, DOI: 10.1115/1.4019264.