Inst. for elektrofag og fornybar energi

Transkript

1 Inst. for elektrofag og fornybar energi Utarbeidet: PHv Fag TELE2001 Reguleringsteknikk Revidert sist Fredrik Dessen Tank 4 øving I denne oppgaven skal du bli mer kjent med simuleringsprogrammet Tank 4. Med dette programmet kan du simulere regulering av nivået i en tank. Tanken som blir simulert er også basert på tankriggen som skal brukes på labben, men den simulerte tanken har ikke samme dynamikk (tidskonstanter etc.) som tanken på labben. Likevel kan du gjøre mye av det samme på den simulerte tanken som med den virkelige tanken. Tank 4 skal forenkle overgangen til den praktiske labben du skal ha senere. Tank4 visualiserer også nivåregulering av en tank på en bedre måte enn det som er mulig med Simulink-øvingene. Det er en forutsetning for å få utbytte av denne øvinga at du allerede har kjørt Tank 4 øving 1. Etter å ha gjennomført denne øvinga skal du kunne Bruke flere av funksjonene i programmet Tank 4 Bruke standardfunksjonene i den innebygde regulatoren i Tank 4 Justere inn nullpunkt (zero) og område (span) for en nivåmåler Justere inn en regulator basert på sprangresponsmetoden Justere inn en regulator basert på automatisk sjøljustering Vurdere innsvingningsforløp og komme med forslag til etterjusteringer dersom det er nødvendig Ikke alle detaljer vil blir forklart her. Møt derfor opp i de timeplanlagte timene for gjennomføring av oppgaven om du trenger hjelp. Besvarelse Utførelse av denne oppgaven skal dokumenteres i form av et word-dokument som leveres inn senest en uke etter den timeplanlagte kjøringa på datasalen. Dette dokumentet skal inneholde korte svar på spørsmålene i oppgaven og de figurene og tabellene du blir bedt om å lime inn i dokumentet. Husk å sette på navnet til alle gruppemedlemmene (maks 3). Oppstart av Tank 4 For å finne fram til programmet følger du instruksene som er lagt ut på itslearning, under katalogen Programvare. Start Tank4.exe. Nå skal det sprette opp to vinduer som vist nedenfor.

2 Du vil se at simulatoren allerede er i gang. Plottet i høyre vindu viser at tiden allerede har begynt å gå. a) Du må først du få vann i tanken ved å starte pumpa nederst til venstre i Tank 4-vinduet. b) Still så Utventil på 50 (dvs 50% av maks utløp). c) Pass også på at regulatoren står i Auto, og til slutt at alle de andre innstillingene har samme verdi som i figuren over. Med et forløp som er litt avhengig av hvor fort du gjør dette, vil prosessen stille seg inn og se ut omtrent som i figuren under. Det bemerkes at modellen er programmert slik at både inn-ventilen og ut-ventilen leverer akkurat så mye vann (i prosent av maksimal kapasitet) som innstillingen sier. Væskestrømmen er altså ikke avhengig av trykkfallet over hver ventil. Innjustering av nivåmåler Nivået i tanken måles med en bunntrykksmåler. Dette trykket gjøres om til et strømsignal fra 4 ma ved tom tank til 20 ma ved full tank. Tom tank vil i vårt tilfelle være at tanken er akkurat tom, mens full tank er at nivået står akkurat opp til 100%. En og samme nivåmåler skal kunne brukes til tanker med litt forskjellige høyder. Derfor er det mulig å justere på to pot-metere (variable motstander) sånn at tom tank gir 4 ma og full tank gir 20 ma for akkurat dette tilfellet. Disse to potensiometrene er normalt merka Zero (evt offset, bias eller nullpunkt) og Span (evt range eller område). Zero brukes til å justere inn rett nullnivå. Tom tank skal gi 4 ma eller 1,0V eller 0%. Span brukes til å justere området sånn at full tank gir 20 ma eller 5,0V eller 100%. Problemet er at Zero ikke bare påvirker nullpunktet, men også virker litt inn på området. Tilsvarende virker ikke bare Span inn på området, men også litt inn på nullpunktet. Innjustering må derfor skje i flere omganger. Først justeres Zero inn så tom tank gir 4 ma eller 1,0V eller 0%. Deretter fylles tanken og Span justeres til full tank gir 20 ma eller 5,0V eller 100%. Så tømmes tanken og Zero etterjusteres til tom tank igjen gir 4 ma eller 1,0V eller 0%. Så må tanken fylles og Span etterjusteres osv. helt til det ikke trengs mer etterjustering for at tom tank gir 4 ma eller 1,0V eller 0% og full tank gir 20 ma eller 5,0V eller 100%. For å få fylt tanken må Innventil åpnes. Dette kan gjøres med regulatoren (om den har mulighet for kjøring i manuell (hand)) eller direkte på tank-riggen.

3 Det er nivåmåleren til tanken som skal justeres inn. Det er en bunntrykksmåler merka LT som er plassert under tanken som vist på figuren. Span og Zero justeres i innmatingsfeltene. Ved oppstart av Tank 4 er nivåmåleren riktig justert. Sånn er det ikke alltid i virkeligheten. For at innjusteringa skal bli mer realistisk skal du endre noen skjulte verdier før du starter innjusteringa. Sett knappen Vis mer på Vis. Da dukker det opp mye mer på skjermen. Gå inn på innmatingsfeltet SpanC og sett inn verdien 0,6. Sett ZeroD til 0,3. Når dette er gjort kan du sette Vis mer tilbake til Skjul. Som du sikkert ser nå så er verdien som sendes til regulatoren ikke lenger lik det virkelige nivået i tanken. Nivåmåleren må justeres! Din oppgave blir å justere nivåmåleren rett sånn at den målte verdien som sendes til regulatoren stemmer med det virkelige nivået i tanken for alle nivå mellom 0 og 100%. En oppskrift på hvordan dette kan gjøres, finnes sist i oppgaveteksten Oppgave 1a Hvilke verdier fikk du for Span og Zero? Oppgave 1b Fyll tanken til 40% nivå. Hva viser målt nivå nå? Kommenter svaret. Sprangresponsmetoden. Du skal her prøve å finne fram til et forslag til innstilling av en PI-regulator basert på sprangresponsmetoden. Sprangresponsen som gjelder er fra spranget kommer i pådraget, til nivået når en fysisk yttergrense (grenseverdi). I vårt tilfelle er dette når tanken er full. Etter at du har funnet fram til verdier for proporsjonalforsterking og integraltid skal du teste hvordan verdiene passer. Dette gjøres ved å se på responsen til nivået i tanken ved et sprang i utløpet. I tilfeller hvor prosessen ikke er helt lineær er det viktig at størrelsen på spranget ikke blir for stort og at det tas til et passende arbeidspunkt. Her skal du foreta et sprang i pådraget på 40%. Videre skal responsen være til det mest vanlige arbeidspunktet. Vi antar at mest vanlig referanse er 60% og at mest vanlig pådrag er tilpassa at Utventil er halvt åpen. Da vil det passe å starte med ventilen halvt åpen og så sørge for at vi får stasjonære verdier med et nivå i tanken på et stykke under vanlig referanse. Her vil det passe å starte med en referanse som ligger et stykke under den mest vanlige referansen på 60%. Vi kan f. eks. starte med en referanse på 30%. Når prosessen har stilt seg inn på denne lave referanseverdien avleses pådraget og det lages et sprang i pådraget opp med 40 %. Dette kan gjøres på følgende måte:

4 1. Start opp prosessen. Sett regulatoren i Auto og la den gå som PI(D)-regulator. 2. Denne reguleringssløyfen er ganske rask, og sampingsintervallet til regulatoren bør derfor settes til 0.5 i feltet Samplingstid h [sek]. 3. Sett Referanse r til Bruk regulatoren som en PI-regulator med relativ lav P- forsterking og relativ lang I-tid. F eks Kp = 1 og Ti = 20 sek. Husk å sette Td = 0. Verdiene i innmatingsfeltene og knappene skal stå som vist på figuren til høyre. Ved å bruke regulatoren som en litt dvask PI-regulator vil nivået i tanken havne på referanseverdien selv om vi ikke kjenner de optimale innstillingene for PI-regulatoren. 5. Juster Utløpsventil til 25%. Vent til du får stasjonær tilstand med Prosessverdi y på ca Nå skal du lage et sprang i pådraget på 40%. Det gjør du ved først å sette regulatoren i Hand og notere verdien på pådraget. 7. Deretter setter du manuelt opp pådraget med 40%. Eksempelvis, hvis Pådrag u viser 25 rett etter at du la regulatoren over i Hand øker du pådraget til = 65. Nå skal nivået i tanken øke. 8. Når tanken er blitt full er den gyldige delen av sprangresponsen ferdig. For å slippe at vatnet renner over i tanken kan du nå legge tilbake til Auto og sette Referanse r lik 30 igjen. 9. Nå skal du ha fått sprangresponsen i diagrammet. For å stoppe kurvetegninga, men ikke reguleringa legger du knappen for Kurvetegning over på Kurvestopp. 10. 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. 11. Zoom inn på et passende utsnitt som viser både spranget i pådraget og responsen i 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. 12. Etter at du har zooma inn og er fornøyd med utsnittet må du notere ned to verdier. Den ene er Samplingstid h[sek] (f eks 0,5) og den andre er Samplingssteg med lengde h pr rute (f eks 5). Tid pr rute i sekunder er produktet av disse to (f eks 0.5 ganger 5 er lik 2.5) 13. Nå kan kopiere sprangresponsen over i word-dokumentet ved å høyreklikke i diagrammet og velge Export > Export Simplified Image... Nå dukker det opp et nytt 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. Oppgave 2a Ta utgangspunkt i sprangreponsen og finn fram til ekvivalent tidsforsinkelse, τe og ekvivalent integrasjonstid, Tei.

5 Oppgave 2b Fordi sprangresponsmetoden er en åpen sløyfemetode mister vi informasjon om regulatoren. I dette tilfelle skal vi bruke en digital regulator med samplingstid, h lik 0.5 sekunder. Vi får dermed med en ekstra forsinkelse i reguleringssløyfa som skyldes den digitale regulatoren. Denne forsinkelsen, τreg er på 1.5 ganger samplingstida, h. Hvor stor er tidsforsinkelsen i vår regulator? Når vi nå skal finne kritisk forsterking, Kk og kritisk periodetid, Tk ut fra sprangresponsmetoden bør vi legge sammen transportforsinkelsene i regulatoren og den fra sprangresponsen. Det gir τtotal = τreg + τe og videre Oppgave 2c Hva blir kritisk forsterking og kritisk periodetid? 4 Oppgave 2d Regulatoren skal brukes som en PI-regulator. Finn fram til et forslag for P-forsterkinga, Kp og integrasjonstida, Ti. Testing av de foreslåtte verdiene for PI-regulatoren med et sprang i utløpet 1. Pass på at regulatoren står i Auto og at diagramvinduet står i Kurvetegning. Pass også på å trykke på Tilbakestill akser. 2. Still inn verdien du fant for Kp og Ti. 3. Sett Referanse r lik 60 og vent til nivået har stilt seg inn på omtrent 60. Oppgave 3a Lag sprang i utløpet 25%. F eks fra 25 til 50 eller fra 50 til 25. Hvilken type innsvingningsforløp får du? Zoom inn og kopier innsvingningsforløpet over i Word. Pass på å notere tid pr. rute i diagrammet. Oppgave 3b 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? Etterjustering Er det mulig å etterjustere sånn at du får en bedre kombinasjon av dynamisk avvik og innstillingstid enn du fikk ovenfor? Den beste kombinasjonen er den som gir en minst dynamisk avvik og kortest innstillingstid, samtidig som det ser ut med øyet som at avviksarealet er minst mulig. Gjør to forsøk. I første forsøk endrer du på enten Kp eller Ti. 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 25[%]. I neste forsøk kan du etterjustere som det passer best og lage en reduksjon i utløpet på 25[%]. Oppgave 4 Kopier den beste etterjusteringa over i word-dokumentet og sett på dynamisk avvik og innstillingstid, pluss de nye verdiene for Kp og Ti.

6 Manuell selvjustering. Nå skal du prøve å finne fram til et forslag til innstilling av regulatoren som en PI-regulator basert på manuell selvljustering. Deretter skal du se hvordan denne innstillinga passer ved å se på responsen til nivået i tanken ved et sprang i utløpet. Mange regulatorer har mulighet for autotuning (selvjustering), men her skal du utføre det samme manuelt. I tilfeller hvor prosessen ikke er helt lineær er det viktig at størrelsen på sprangene i pådraget ikke blir for stort og at det tas rundt det mest vanlige arbeidspunktet. Her skal du foreta et sprang i pådraget opp og ned på 40%. Vi antar fortsatt at det for denne prosessen er mest vanlig med referanse 60%, og at mest vanlig pådrag er tilpasset at Utventil er halvt åpen. Selvjusteringen kan gjøres på følgende måte 1. Start opp prosessen. 2. Bruk regulatoren som en PI-regulator med relativ lav P-forsterking og relativ lang I-tid. F eks Kp=1 og Ti=20 sek. Ved å bruke regulatoren som en litt dvask PI-regulator vil nivået i tanken havne på referanseverdien. 3. Sett Referanse r til Juster utløpet fra tanken sånn at denne er halvt åpen (50%) og vent til Prosessverdi y holder seg på omtrent 60. Les av Pådrag u nå. 5. Nå skal du sette Min pådrag til u-20% og Max pådrag til u+20%. Da ser det kanskje ut som på figuren til høyre. 6. Gå inn på Regulatortype og velg Av/På. Nå vil regulatoren virke som en av/på regulator. Pass på at Hysterese står på 0. Nå skal pådraget vise et firkantsignal med amplitude på 40%. Prosessverdien skal vise et mer eller mindre pent sinussignal. 7. Når du har fylt et diagramvindu med et pent firkantsignal i pådraget kan du legge over til Kurvestopp og zoome inn. Pass på å notere ned tid pr rute. Kopier diagrammet over i Word. Oppgave 5a Ta utgangspunkt i diagrammet og finn topp-til bunn for prosessverdien og for pådraget. Finn deretter periodetida på svingningene. Hva blir kritisk forsterking og kritisk periodetid? Oppgave 5b Regulatoren skal brukes som en PI-regulator. Finn fram til et forslag for P-forsterkinga, Kp og integrasjonstida, Ti. Testing av de foreslåtte verdiene for PI-regulatoren med et sprang i utløpet 1. Pass på at regulatoren står i Auto og at diagramvinduet står i Kurvetegning. Pass også på å trykke på Tilbakestill akser. Sett også Min pådrag tilbake 0 og Max pådrag tilbake til Still inn verdiene du fant for Kp og Ti. 3. Sett Referanse r lik 60 og vent til nivået har stilt seg inn på ca. 60. Oppgave 6a Lag sprang i utløpet 25%. F. eks. fra 25 til 50 eller fra 50 til 25. Hvilken type innsvingningsforløp får du?

7 Oppgave 6b Zoom inn og kopier innsvingningsforløpet over i Word. 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? Etterjustering Er det mulig å etterjustere sånn at du får en bedre kombinasjon av dynamisk avvik og innstillingstid enn du fikk ovenfor? Den beste kombinasjonen er den som gir minst dynamisk avvik og kortest innstillingstid, samtidig som det ser ut som at avviksarealet er minst mulig. Gjør to forsøk. I første forsøk endrer du på enten Kp eller Ti. 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 25[%]. I neste forsøk kan du etterjustere som det passer best og lage en reduksjon i utløpet på 25[%]. Oppgave 7 Kopier den beste etterjusteringa over i word-dokumentet og sett på dynamisk avvik og innstillingstid, pluss de nye verdiene for Kp og Ti. Sammenlikning av metodene Oppgave 8a Hvilken av metodene (sprangresponsmetoden mot manuell selvjustering) ga det beste innsvingningsforløpet før etterjusteringer ble foretatt? Oppgave 8b Hvilken av metodene var enklest å utføre? Tillegg Justering av nivåmåler 1. Sett regulatoren i Hand (manuell). 2. Sett verdien i feltet Pådrag u lik 100. Sjekk at ventilen åpner seg og at det kommer vann i tanken. 3. Sett verdien i feltet Pådrag u lik 0. Sjekk at ventilen lukker seg og at det ikke kommer mer vann i tanken. 4. Åpne opp Utventil og slipp vannet ut. 5. Se på det målte nivået. Dette skal vise 0 ved tom tank, men viser mest sannsynlig noe annet. Husk at målere har en tidskonstant. Du må vente helt til verdien har stabilisert seg. 6. Juster på potmeteret merka Zero helt til Målt nivå viser Steng Utventil helt. 8. Fyll opp tanken til den er fylt nøyaktig til 100-merket. Kanskje må du slippe ut litt vann for å klare dette. 9. Nå som tanken er full skal måleren vise 100, men viser nok noe annet. Juster på potmeteret merket Span til målt nivå viser Gjenta punktene 3 til og med 9 helt til målt nivå blir rett både ved tom tank og ved full tank