JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Diplomityön tavoitteena oli kehittää ja tutkia säätömenetelmiä itsenäiseen, ja avoimen lähdekoodin ratkaisuja käyttävään säätöjärjestelmään. Tarkasteltaviksi säätömenetelmiksi valittiin perinteinen PID-säätö, sumea säätö ja mallipohjainen säätö. Työn tavoitteena oli myös toteuttaa ensimmäinen versio järjestelmästä. Työn kirjallisuusosa sisältää esittelyn ylätason säätöön ja säätöjärjestelmiin liittyvistä käsitteistä ja periaatteista. Teollisuudessa yleisien hajautettujen ohjausjärjestelmien rakenne ja ylätason optimoinnin merkitys automaatiossa on sisällytetty kirjallisuusosaan lyhyesti. Kirjallisuusosassa esitellään myös kokeellisessa osiossa toteutetut säätömenetelmät, sekä etsittiin niiltä vaadittavia ominaisuuksia skaalautuvuuden ja joustavuuden mahdollistamiseksi.

Säätömenetelmien suorituskykyä arvioitiin testausympäristössä toteutetuissa säätötesteissä. Järjestelmä toimi testeissä hyvin, ja jatkokehityksen jälkeen sen siirtämistä tuotantoon voidaan suunnitella. Kolmen toimi- ja mittalaitteen prosessissa testausympäristön lämmitysvastusten tuottama ristikkäisvaikutus vaikuttaa takaisinkytkettyjen säätimien toimintaan. Mallipohjaisen säätimen sisältämä järjestelmän dynamiikkaa kuvaava malli mahdollistaa ristikkäisvaikutusten huomioimisen yksinkertaisella tavalla, joka ilmenee muita säätömenetelmiä pienempinä ylityksinä. Säätömenetelmien vertailuluku kolmen toimi- ja mittalaitteen säätötestissä PI-säätimellä keskineliövirhe oli 188,56 ºC2, sumealla PI-säätimellä keskineliövirhe oli 170,24 ºC2 ja mallipohjaisella säätimellä keskineliövirhe oli 166,37 ºC2.

Design of control methods and implementation in the heating process

Abstract

The goal of this master’s thesis was to develop and study control methods for independent control system that uses open source solutions. The control methods studied were traditional PID control, fuzzy control and model predictive control. Another goal was also to implement the first version of this control system. In theory part of the thesis, concepts and principles related to advanced process control and controls systems are reviewed. The structure of distributed control systems common in industry and the importance of upper-level optimization related to process automation are briefly discussed in the theory. Required characteristics of the control methods and control system were examined to enable scalability and flexibility. Also, theory of the control methods implemented in experimental part of the thesis are included.

The performance of the developed control methods was evaluated in the testing process. The control system performed successfully in the tests and after further development it can be planned to be used in production. In the process of three controlled and manipulated variables, the coupling effect related to the heating resistances of the testing environment affects the operation of the feedback controllers. The dynamic model used in the model predictive controller enables coupling effects between process variables to be taken into account in a simple way. The model predictive control manifests itself as a smaller overshoot than other tested control methods. The mean squared error values for the control methods in the control test of three controlled and manipulated variables were 188,56 ºC2, 170,24 ºC2 and 166,37 ºC2 for the PI controller, the fuzzy PI controller and the model predictive controller, respectively.