Program for elektro- og datateknikk

Transkript

1 D:\Per\Fag\Regtek\Oppgavebok\2a Tank 4 øvinger\04_tank4_1_2014_v3.wpd Program for elektro- og datateknikk Fag TELE2001 Reguleringsteknikk Tank 4 øving 1. Utarbeidet: PHv Revidert sist: PHv, aug 2014 Målsetting: I denne oppgava skal du bli kjent med Simuleringsprogrammet Tank 4. Med dette programmet kan du simulere en tank som blir regulert av en digital regulator. Du kan velge mellom to forskjellige standard industri-regulatorer (FUJI PXZ5 og FUJI PXG5) og en regulator som bruker dataskjerm som brukergrensesnitt. FUJI PXZ5 FUJI PXG5 PC-regulator I denne oppgava skal du bruke PC-regulatoren. Tanken som blir simulert er basert på en av tankriggene som skal brukes på labben, men den simulerte tanken har ikke samme dynamikk (dvs tidskonstanter osv) som tanken på labben. Likevel kan du gjøre mye av det samme på den simulerte tanken som med den virkelige tanken. Hensikten er at simuleringa skal forenkle overgangen til den praktiske labben du skal ha seinere. I tillegg er målet at simuleringa med Tank 4 visualiserer nivåregulering av en tank på en bedre måte enn det som er mulig med Simulinkøvingene. Etter å ha gjennomført denne øvinga skal du:! Kunne bruke de enkleste funksjonene i programmet Tank 4.! Kunne forklare sammenhengen mellom P-forsterking og stasjonært avvik.! Kunne justere inn ei reguleringssløyfe med Ziegler-Nichols metode. Rapportering: Gjennomgangen av denne oppgava skal dokumenteres i form av et word-dokument som leveres inn seinest ei uke etter den timeplanlagte kjøringa på datasalen. Dette dokumentet skal inneholde korte svar på spørsmålene i oppgava og de figurene du blir bedt om å lime inn i dokumentet. NB! Husk å sette på navnet til alle gruppemedlemmene (maks 3). Ikke alle detaljer i vil blir forklart her. Møt derfor opp i de timeplanlagte timene for gjenomføring av oppgava om du trenger hjelp. Programmet Tank 4 finnes som et ferdig installasjonsprogram som du kan installere på egen windows-pc. Du finner installasjonsprogrammet på fagets sider på itslearning. Side 37

2 2 Tank 4 øving 1 1. Oppstart av Tank 4 på skolens nett på maskiner som har installert LabVIEW: a) Logg deg inn på skolens nett. b) Programmet finnes på katalogen: K:\Fag\AFT\EDT\_FAG\REGTEK1\LabVIEW\Tank 4 c) Start opp programmet Tank 4.exe Nå skal det sprette opp to vinduer som vist på figuren: 2. Igangkjøring av Tank og regulator. a) Oppstart av tanken. Du er nå klar til å starte simuleringa, men først må du få vatn i tanken og deretter må utløpet åpnes. Dette gjør du ved først å starte pumpa nederst til venstre i Tankvinduet. Deretter går du inn og stiller utventilen på 25 (dvs 25% av maks utløp). Litt avhengig av standardinnstillingene for regulatoren vil det stille seg inn og se ut som på bildet under. Ikke bry deg om de konkrete verdiene i første omgang. 3. Nivåregulering med forskjellige verdier for K p. Du skal nå undersøke hvordan stasjonært avvik blir i tanken når du bruker regulatoren som en P- regulator med nominelt pådrag på 50 % og bruker forskjellige verdier for P-forsterkinga, K p. Utløpet skal være på 25%. Side 38

3 Tank 4 øving 1 3 a) Referansen skal først stilles til 50 (dvs 50 %). Pass også på at regulatoren står i Auto. b) Du skal nå stille inn regulatoren som en P-regulator med K p =1 og med I-delen og D-delen utkopla.. Dvs PID-knappen på P(D) og T = 0. d Sett deretter utventilen til tanken på 25[%]. Utventilen stiller du i vinduet med tanken. Vent så til nivået i tanken har stabilisert seg. 1) Hvor stort er det stasjonære nivået i tanken nå? Svar i word-dokumentet! 2) Hvor stort er stasjonært avvik nå? Svar i word-dokumentet! c) Du skal nå se på hvordan det går med nivået i tanken og det stasjonære avviket når du øker K p gradvis. Fyll ut tabellen under: (Dersom reguleringssløyfa blir ustabil noterer du det i tabellen! Blir f eks sløyfa ustabil ved 4 trenger du ikke måle med 5 og 6). NB! Utventilen til tanken på skal fortsatt være 25[%]. Kp Målt nivå [%] Avvik [%] Lag en tabell med tallverdier i word-dokumentet! e) Stemmer resultatene for stasjonært avvik med teorien om stasjonær forsterking i ventilen og i nivåmåleren begge er lik 1 og det nominelle pådraget, u er lik 50? Svar i word-dokumentet! Tips! Se på blokkskjemaet under og sett på alle de aktuelle verdiene: 0 4. Innjustering av reguleringssløyfa basert på Ziegler-Nichols metode. I denne oppgava skal du prøve å finne fram til et forslag til innstilling av regulatoren som en PIDregulator basert på Ziegler-Nichols metode. Fordi reguleringssløyfer ofte er mer eller mindre ulineære bør kritisk forsterking og kritisk periodetid finnes ved det mest vanlig brukte arbeidspunktet for den enkelte reguleringssløyfa. Målet er å finne den verdien for P-forsterkinga, K p, som akkurat gir stående svingninger. Dette er veldig vanskelig i praksis. I stedet er det vanlig å angripe dette på en av to måter: 1 For reguleringssløyfer som tåler å ha grensesvingninger så er det greiest å starte med en for stor P-forsterking og så redusere forterkinga til det ikke lenger er grensesvingninger. Kritisk forsterking blir da et sted mellom laveste forsterking som gir grensesvingninger og høgste forsterking hvor svingningene dør ut. Kritisk periodetid er periodetida på svingningene når vi har kritisk forsterking. Fordi periodetida varierer lite rundt kritisk Side 39

4 4 Tank 4 øving 1 forsterking kan du enten bruke periodetida ved laveste verdi for P-forsterkinga som gir grensesvingninger eller høgste verdi som fortsatt går svingninger som dør ut. 2 For reguleringssløyfer som ikke tåler å ha grensesvingninger startes det med en lav forsterking. Deretter lages det et lite sprang i referansen for å tvinge fram svingninger. Så lenge svingningene dør raskt ut økes P-forsterkinga gradvis for hver gang det lages et sprang i referansen. Sprangene i referansen går opp og ned hver sin gang sånn at referansen hele tida er nær den mest vanlige referanseverdien. Når P-forsterkinga er så stor at det tar ca 20 halvperioder før svingningene dør ut avsluttes forsøket. Denne verdien for P-forsterking settes til å være kritisk forsterking. (Vil du være veldig nøyaktig skal egentlig kritisk forsterking være ca 1,1 ganger P-forsterkinga.) Kritisk periodetid er periodetida på svingningene. Du skal bruke den første metoden i denne oppgava. Vi antar at mest vanlig arbeidspunkt for denne tanken er en referanse på 60 % og at utventilen er halvt åpen dvs 50% utløp. a) Dette kan nå finne kritisk forsterking og kritisk periodetid på følgende måte: 1) Start opp prosessen. (Dersom du nettopp har gjort punkt 3 så går prosessen allerede.) 2) Sett Referansen r til 60. 3) Juster utløpet fra tanken sånn at utventilen er på 50 % dvs halvt åpen. 4) Du skal nå bruke regulatoren som en rein P-regulator og dermed med I-delen og D-delen utkopla.. Dvs PID-knappen på P(D) og T = 0. d 5) Finn fram til den laveste verdien for Kp som gir grensesvingninger. For å få i gang svingningene er det noen ganger nødvendig å lage små sprang i referansen. F eks fra 60 og opp til 70 og så ned til 60 etter noen sekunder. Det holder å finne K p med to gjeldende siffer. Sjekk også at sløyfa stabiliserer seg når du reduserer K p med ca 5%. Kritisk forsterking Kk blir dermed noe midt mellom disse. Hvilken verdi får du for K k? Svar i worddokumentet! 6) Kritisk periodetid er periodetida på svingningene ved kritisk forsterking. Periodetida kan finnes med stoppeklokke fordi simuleringa går i sann tid. Et alternativ er å finne kritisk periodetid ut fra grafen. Tips: Les sidespranget under! Hva blir kritisk periodetid. Svar i word-dokumentet! Sidesprang: Hvordan bruke grafvinduet? s1) Nå skal du ha fått et kurveforløp i diagrammet som du vil studere nærmere kan du stoppe kurvene uten å stoppe reguleringa. For å stoppe kurvetegninga, men ikke reguleringa legger du knappen for Kurvetegning over på Kurvestopp. s2) Deretter kan du zoome inn på figuren ved først å gå inn på forstørrelsesglasset og så velge ikonet for zoom inn i både x- og y-retning som vist på den lille figuren over. s3) Zoom inn på et passende utsnitt som viser f eks nivået. Dersom du bommer kan du trykke på knappen Tilbakestill akser og prøve på nytt. Har du mista en del av spranget ut til venstre kan du skrolle ved å bruke Skroll x-akse. Side 40

5 Tank 4 øving 1 5 s4) Etter at du har zooma inn og er fornøyd med utsnittet må du notere ned to verdier. Den ene er Samplingstida og den andre er Samplingssteg med lengde h pr rute (f eks 2). Tid pr rute i sekunder er produktet av disse to (f eks 1 ganger 2 er lik 2) s5) Nå kan kopiere sprangresponsen over i et Word-dokument ved å høyreklikke i diagrammet og velge Export > Export Simplified Image... Nå dukker det opp et sprett-opp-vindu. Pass på velge Enhanced Metafile (.emf) og Export to Clipboard. Deretter kan du trykke på Export og så lime figuren inn i et Word-dokument. Sidesprang slutt. 7) Når du har et diagramvindu som viser grensesvingninger med laveste verdi for Kp og en litt lavere verdi for K p som gjør at grensesvingningene opphører kan du legge over til kurvestopp. Pass på å notere ned tid pr rute. Kopier diagrammet over i Word ut fra sidespranget over. b) Regulatoren skal brukes som en PID-regulator. Finn fram til et forslag for P-forsterkinga, K p integrasjonstida, T og derivasjonstida, T. Svar i word-dokumentet! i c) Testing av de foreslåtte verdiene for PID-regulatoren med et sprang i utløpet: 1) Du skal nå bruke regulatoren som en PID-regulator, dvs PID-knappen på PI(D) d og P-forsterkinga, K p integrasjonstida, T i og derivasjonstida, T d på de verdiene du fant i punkt b) 2) I diagramvinduet på PC en skal Kurvetegning være aktivert. Pass også på å trykke på Tilbakestill akser. 3) Still inn verdiene du fant for K p, T i og T d i regulatoren. 4) Sett Referanse r lik 60 og vent til nivået har stilt seg inn på ca 60. 5) Du skal lage spranget i utløpet ved å lukke utventilen fra 50[%] til 25[%] Hvilken type innsvingningsforløp får du? 6) Stopp kurveteikninga, zoom inn og kopier innsvingningsforløpet over i word-dokumentet. Pass på å notere tid pr rute i diagrammet. Hvor stort er det dynamiske avviket og hvor lang tid tar det før nivået holder seg mellom ca 59 og ca 61 uten å gå utafor igjen? Svar i worddokumentet! d) Etterjustering: Er det mulig å etterjustere sånn at du får en bedre kombinasjon av dynamisk avvik og innstillingstid enn du fikk i punkt c). Gjør to forsøk. I første forsøk endrer du på enten K p, Ti eller T d. Ta litt hardt i og øk med minst 50% når du øker en verdi og reduser minst 30% når du reduserer en verdi første gangen. Foreta bare endring av en av parametrene første gangen. Lag et sprang i utløpet med en økning i utløpet på på 25[%] i det første forsøket. I neste forsøk kan du etterjustere som det passer best og lage en reduksjon i utløpet på 25[%]. Kopier den beste etterjusteringa over i word-dokumentet og sett på dynamisk avvik og innstillingstid pluss de nye verdiene for K, T og T. p i d Side 41

6 6 Tank 4 øving 1 5. Autotuning. Både FUJI-regulatorene og PC-regulatoren har en innebygd funksjon for autotuning (sjøljustering). Du skal her se på hvordan den virker. Bruk skriveren på skjermen til å registrere både prosessverdi og pådrag mens autotuninga pågår. I diagramvinduet på PC en skal derfor Kurvetegning være aktivert. Pass også på å trykke på Tilbakestill akser for å være sikker på at aksene er tilbakestilt. a) La regulatoren gå med halvt utløp og en referanse på 60. Bruk regulatoren som en PI-regulator med relativ lav P-forsterking og relativ lang I-tid. F eks K p=1 og T i=20 sek. Ved å bruke regulatoren som en litt dvask PI-regulator vil nivået i tanken havne på referanseverdien uten at du kjenner de optimale verdiene for innstilling av regulatoren. b) Du aktiverer autotuninga på følgende måte: 1) Gå inn i menyen for regulatortype og velg Autotuning. Nå byttes PID-regulatoren ut med autotuning. 2) Gå inn i menyen for Autotuning og velg AT normal dvs normal autotuning. Nå er autotuninga aktivert. Mens autotuninga pågår blinker den gule lampa. Når autotuninga er ferdig slukker den gule blinkinga og den grønne lampa tennes. Du kan gå tilbake til vanlig visning av PIDregulatoren ved å trykke på -knappen. Autotuninga er aktiv så lenge som det blinker et grønt punktum helt til høgre nederst i displayet. Når blinkinga slutter er autotuninga ferdig og de nye verdiene er satt inn i regulatoren. Stopp teikning av kurver med Kurvestopp. Se på diagrammet. Kopier diagrammet over i word-dokumentet. Hva gjorde regulatoren mens autotuninga var aktivert? Svar i worddokumentet! c) Gå inn på P, I og D i regulatoren og finn verdiene på K p, T i og T d som ble resultatet av autotuninga. Svar i word-dokumentet! d) Hvordan er verdiene fra autotuninga i forhold til verdiene du fant med Ziegler-Nichols metode? Svar i word-dokumentet! e) Testing av de verdiene fra autotuninga for PID-regulatoren med et sprang i utløpet: 1) Du skal nå bruke regulatoren som en PID-regulator, dvs PID-knappen på PI(D) Side 42 og P-forsterkinga, K p integrasjonstida, T i og derivasjonstida, T d på de verdiene du fant i punkt b)

7 Tank 4 øving 1 7 2) I diagramvinduet på PC en skal Kurvetegning være aktivert. Pass også på å trykke på Tilbakestill akser. 3) Sett Referanse r lik 60 og vent til nivået har stilt seg inn på ca 60. 4) Du skal lage et sprang i utløpet ved å lage et sprang i utventilen på 25%. Dvs enten fra 50 og ned til 25 eller fra 25 og opp til 50. Hvilken type innsvingningsforløp får du? Svar i worddokumentet! 5) Zoom inn og kopier innsvingningsforløpet over i word-dokumentet. Pass på å notere tid pr rute i diagrammet. Hvor stort er det dynamiske avviket og hvor lang tid tar det før nivået holder seg mellom 59 og 61 uten å gå utafor igjen? Svar i word-dokumentet! f) Sammenlikn innsvingningsforløpene med regulatorinnstillingene direkte fra Ziegler-Nichols metode og fra autotuninga. Hvilken av disse er best uten etterjustering? Begrunn svaret! Svar i word-dokumentet! Sidesprang: Autotuning eller sjøljustering er en rask metode for å komme fram til ganske brukbare innstillinger for regulatoren. Ikke alle regulatorer har innebygd autotuning. Men dersom regulatoren ikke har innebygd autotuning er det ganske enkelt å utføre det manuelt. Neste simuleringsøving med Tank 4 vil bl a ta for seg manuell sjøljustering. Sidesprang: slutt. Side 43

8 8 Tank 4 øving 1 Til egne notater: Side 44