The habilitation thesis presents author’s research results in the areas of process control design
for time delay systems and in the similarity theory application in this design. The motivation
and objectives of the habilitation thesis are presented in Chapter 1. The thesis is motivated by
open problem - applicability of dominant pole placement method to the PID controller tuning
for higher-order plants with delay. In Chapter 2 the time delay systems in control and
estimation are surveyed and at the beginning of Chapter 3 the dimensional analysis
application to control design is surveyed, too. In Chapter 4 the generalized dominant threepole
placement as the design method is presented together with resulting PID controller
setting common for a set of dynamically similar plants with delay. The same design method is
applied in Chapter 4 to the PID controller tuning for a set of integrating plants with delay. At
the end of Chapter 3 the third- and fourth-order plants are investigated as samples of higher-order plants with delay. This thesis as the study on applicability of the dominant three-pole
placement method to the PID controller tuning for higher-order plants with delay reveals that
the PID controller is still tunable for the admissible third- and fourth-order plants while in
case of the inadmissible third- and fourth-order plants the PID controller is not already
tunable by this method as concluded in Chapter 4. This revelation is mainly enabled by the
dimensional analysis application thoroughly in Chapter 3 which gives the control engineering
design the capability of its versatility in the area of reasonably constrained (i.e. admissible)
similarity numbers. The reasonable constraints are due to dynamic relevance and practical
controllability of the considered higher-order systems with delay. Conclusions to Chapter 3
summarize that the constrained similarity numbers are oscillability, retardedness,
dampeningness and stiffness, in particular. Conclusions to Chapter 4 sum up that once the
retardedness number is not negligible the PID controller provides admissible control solution
to the plants of maximum order – four, including the integrating plants up to the fourth-order.
Moreover the admissible third and fourth-order plants with delay allow assigning the natural
frequency number greater than the ultimate frequency number without the loss of three-pole
dominance while the inadmissible third and fourth-order plants do not. In fact the
inadmissible fifth-order PID control loops with delay show that one is already behind the
capability of the PID controller, independently of tuning method applied, to cope with higher-order dynamics because the control loop responses are with extreme overshoot and take
overlong. In Chapter 5 the thesis as a whole is concluded that the generalized dominant three-pole placement technique provides the delayed fourth- and fifth-order PID control loop
response with low overshoot in contrast to well-known PID tuning method based on idealrelay feedback test.
cze
dc.language.iso
en
cze
dc.title
Process Control Design for Time Delay Systems from Similarity Point of View
cze
dc.type
habilitační práce
dc.type
habilitation thesis
theses.degree.grantor
České vysoké učení technické v Praze. Fakulta strojní.
dc.description.abstract-translated
Předkládaná habilitační práce sestává z pěti kapitol. V první kapitole jsou stanoveny cíle
habilitační práce, které jsou motivovány neřešeným problémem ve výzkumu systémů se
zpožděními – použitelností metody předepsání dominantních pólů k nastavení PID regulátoru
pro systémy se zpožděním vyššího řádu než druhého. V následující druhé kapitole je proto
provedena podrobná rešerše výsledků výzkumu v oblasti návrhu řízení a odhadu systémů se
zpožděními. Kapitola třetí se zabývá aplikací dimenzionální analýzy a dosahuje se v ní
prvního cíle stanoveného v habilitační práci, tj. bezrozměrného popisu regulačního obvodu se
zpožděním pro systémy řádu vyššího než druhého. Nedílnou součástí třetí kapitoly je
dimenzionální analýza regulovaných systémů se zpožděním a tedy i zavedení podobnostních
čísel charakterizujících dynamiku těchto systémů. Úvod k dimenzionální analýze včetně
rešerše k využití teorie podobnosti v návrhu řídicích systémů předchází aplikaci
dimenzionální analýzy ve třetí kapitole. Ve čtvrté kapitole je nalezeno nastavení PID
regulátoru metodou předepsání dominantních pólů bezrozměrnému regulačnímu obvodu se
zpožděním. Nejdříve je toto nastavení odvozeno pro zpožděné regulované systémy třetího
řádu a následně též pro systémy řádu čtvrtého. Výsledná nastavení PID regulátoru jsou shora
ohraničena v důsledku omezení kladených na systémy vyššího řádu se zpožděním, jakými
jsou dynamická relevantnost a praktická řiditelnost systému se zpožděním. Právě tato
omezení se promítnou do podobnostních čísel, respektive jejich rozsahů uvažovaných při
návrhu PID regulátoru. Těmito podobnostními čísly jsou především kmitavost, zpožděnost,
tlumivost a tuhost systému vyššího řádu se zpožděním. Omezená nastavení PID regulátoru
prostřednictvím předepsání dominantních pólů jsou taktéž získána pro astatické systémy
vyššího řádu se zpožděním a astatismem prvního stupně. Metoda předepsání dominantních
pólů dovoluje předepsat vlastní frekvenci regulačnímu obvodu větší než je kritická frekvence,
aniž by předepisovaná trojice pólů ztratila její dominantní polohu v nekonečném spektru pólů
regulačního obvodu. Závěr ke čtvrté kapitole zhodnocuje výsledky v ladění PID regulátoru
pro systémy třetího a čtvrtého řádu se zpožděním. Jakmile je zpožděnost regulovaného
systému nezanedbatelná, poté prakticky řiditelným systémem se zpožděním PID regulátorem
je systém maximálně řádu čtvrtého a to včetně astatického systému se zpožděním. Tato
řiditelnost systému je posuzována vzhledem k podobnostním číslům příslušně omezeným.
Tedy zpožděné regulační obvody čtvrtého a pátého řádu charakterizované podobnostními
čísly mimo přijatelný rozsah se ukazují jako neschopné dostatečně regulovat a kompenzovat
dynamiku systému vyššího řádu. V případě pátého řádu regulačního obvodu tato neschopnost
nastane bez ohledu na použitou metodu naladění PID regulátoru, tj. selhává samotné řízení
PID regulátorem. V těchto regulačních obvodech vznikají velké překmity odezev regulačního
obvodu a neúměrně se prodlužuje doba regulace. Nakonec v páté kapitole je shrnuta
habilitační práce jako celek s výčtem dosažených výsledků pokrývajících cíle stanovené v
první kapitole. Nejvýznamnější z výsledků je dán skutečností, že metoda předepsání
dominantních pólů nastavuje parametry PID regulátoru takové, že ve zpožděném regulačním
obvodu čtvrtého a pátého řádu je výrazně snížen překmit regulační odezvy na poruchu. Totéž
snížení je široce rozšířenou metodou nastavení PID regulátoru, známou jako metoda ideálního relé ve zpětné vazbě, v regulačním obvodu nedosažitelné.