Program for elektro- og datateknikk

Transkript

1 Program for elektro- og datateknikk Fag TELE2001 Reguleringsteknikk Tank 4 øving 1. Utarbeidet: PHv Revidert sist Fredrik Dessen Målsetting: I denne oppgaven 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 oppgaven skal du bruke PC-regulatoren. Tanken som blir simulert er basert på en av oppstillingene på labben, men har ikke samme dynamikk (tidskonstanter osv.) som tanken på labben. Likevel kan du gjøre mye av det samme på den simulerte tanken som med den virkelige. Hensikten er at simulatoren skal forenkle overgangen til laboratorieoppgaven du skal ha senere. I tillegg visualiserer Tank 4 nivåregulering på en bedre måte enn det som er mulig med Simulink-øvingene. Etter å ha gjennomført denne øvinga skal du kunne bruke de enkleste funksjonene i programmet Tank 4 forklare sammenhengen mellom P-forsterking og stasjonært avvik stille inn en regulator med Ziegler-Nichols metode 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. NB! Husk å sette på navnet til alle gruppemedlemmene (maks 3). 1 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 2 Tank 4 øving 1 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. Oppgave 1a Forklar kort hva verdiene Nominelt pådrag, Referanse, Pådrag og Prosessverdi (i ruten PID-regulator midt i de to figurene ovenfor) representerer. Hvilke verdier er stillbare i regulatormodus Auto? Hvilke er stillbare i Hand? Oppgave 1b Forklar med noen få ord hva du tror de to modi, Auto og Hand, innebærer.

3 3 Tank 4 øving 1 2. Nivåregulering med forskjellige verdier for referanse, forstyrrelse og nominelt pådrag Oppgave 2a Forsikre deg atter en gang om at regulatoren står i Auto, og om at Nominelt pådrag og Utventil står på 50. Referanse skal stilles (fra 50) til 25, deretter til 75 og så tilbake til 50. La systemet få tid til å stabilisere seg etter hver endring. Forklar kort hva som skjer. Hva blir det stasjonære avviket i hvert tilfelle? Oppgave 2b Forsikre deg atter en gang om at regulatoren står i Auto, og om at Nominelt pådrag og Utventil står på 50. Referanse skal stilles tilbake til 50. Denne gangen skal Utventil stilles (fra 50) til 75, så til 50 og til slutt til 25. La systemet få tid til å stabilisere seg etter hver endring. Forklar kort hva som skjer. Hva blir det stasjonære avviket i hvert tilfelle? Oppgave 2c Forsikre deg atter en gang om at regulatoren står i Auto, og om at Nominelt pådrag og Utventil står på 50. Referanse skal stilles tilbake til 50. Denne gangen skal Nominelt pådrag stilles (fra 50) til 75, tilbake til 50 og så til 25. La systemet få tid til å stabilisere seg etter hver endring. Forklar kort hva som skjer. Hva blir det stasjonære avviket i hvert tilfelle? 3. Nivåregulering med forskjellige verdier for Kp Du skal nå undersøke stasjonært avvik i tanken med forskjellige verdier for P-forsterkinga, Kp. Utløpet skal være på 25%, mens nominelt pådrag og referanse skal settes til 50%. Pass også på at regulatoren står i Auto. Du skal nå stille inn regulatoren som en P-regulator med Kp =1 og med I-delen og D-delen utkoblet: PIDknappen på P(D) og Td = 0. Vent så til nivået i tanken har stabilisert seg. Oppgave 3a Hvor stort er det stasjonære nivået i tanken nå? Sett verdien inn i en tabell som nedenfor. Oppgave 3b Hvor stort er det stasjonære avviket nå? Sett verdien inn i tabellen. Oppgave 3c Du skal nå se på hvordan det går med nivået i tanken og det stasjonære avviket når du øker Kp gradvis. Fyll ut tabellen under. Dersom reguleringssløyfa blir ustabil noterer du det. Utventilen til tanken skal fortsatt være 25[%]. Kp Målt nivå [%] Avvik [%] Oppgave 3d Stemmer resultatene for stasjonært avvik med teorien om stasjonær forsterking i ventilen og i nivåmåleren begge er lik 1 og det nominelle pådraget, u0 er lik 50?

4 4 Tank 4 øving 1 Tips: Se på blokkskjemaet under og sett på alle de aktuelle verdiene: 4. Innjustering av reguleringssløyfa basert på Ziegler-Nichols metode. I denne oppgaven 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, Kp, 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 forsterkingen til det ikke lenger er grensesvingninger. Kritisk forsterking blir da et sted mellom laveste forsterking som gir grensesvingninger og største forsterking hvor svingningene dør ut. Kritisk periodetid er periodetida på svingningene når vi har kritisk forsterking. Fordi periodetida varierer lite rundt kritisk forsterking kan du enten bruke periodetida ved laveste verdi for P-forsterkinga som gir grensesvingninger eller høyeste 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 oppgaven. Vi antar at mest vanlig arbeidspunkt for denne tanken er en referanse på 60 % og at utventilen er halvt åpen dvs 50% utløp. Du 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 %. 4) Du skal bruke regulatoren som en rein P-regulator og dermed med I-delen og D- delen utkopla: PID-knappen på P(D) og Td = 0. 5) Finn fram til den laveste verdien for Kp som gir stabile svingninger. 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 Kp med to gjeldende siffer. Sjekk også at sløyfa stabiliserer seg når du reduserer Kp med ca 5%. Kritisk forsterking Kk blir dermed noe midt mellom disse.

5 5 Tank 4 øving 1 6) Kritisk periodetid er periodetida på svingningene ved kritisk forsterking. Periodetida kan finnes med stoppeklokke fordi simulatoren går i sann tid. Et alternativ er å finne kritisk periodetid ut fra grafen. Tips: Les tillegget Hvordan bruke grafvinduet sist i oppgaveteksten. Der beskrives også hvordan diagramvinduet kan kopieres over i et Word-dokument. Oppgave 4a Hvilke verdier får du for kritisk forsterkning og kritisk periodetid? Oppgave 4b Kopier diagramvinduet over i Word-dokumentet. Husk på å notere tid pr. rute. Oppgave 4c Regulatoren skal brukes som en PID-regulator. Finn fram til et forslag for P-forsterkinga, Kp integrasjonstida, Ti og derivasjonstida, Td basert på Ziegler og Nichols håndregler. 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) og P-forsterkinga, Kp integrasjonstida, Ti og derivasjonstida, Td på de verdiene du fant. 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 Kp, Ti og Td i regulatoren. 4) Sett Referanse r lik 60 og vent til nivået har stilt seg inn på ca ) Du skal lage spranget i utløpet ved å lukke utventilen fra 50[%] til 25[%] Hvilken type innsvingningsforløp får du? Oppgave 4d Hvilken type innsvingningsforløp får du? Oppgave 4e Stopp plotteren i rett øyeblikk, zoom inn og kopier innsvingningsforløpet over i besvarelsen. Pass på å notere tid pr. rute i diagrammet. Oppgave 4f Hvor stort er det dynamiske avviket, og hvor lang tid tar det før nivået blir værende mellom ca. 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 med Ziegler-Nichols? Gjør to forsøk. I første forsøk endrer du på enten Kp, Ti eller Td. 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 det første forsøket. I neste forsøk kan du etterjustere som det passer best og lage en reduksjon i utløpet på 25[%]. Oppgave 4g Kopier den beste etterjusteringa over i word-dokumentet og sett på dynamisk avvik og innstillingstid, pluss de nye verdiene for Kp, Ti og Td.

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 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 50% utløp og en referanse på 60. 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 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 PIDregulatoren 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 PID-regulatoren ved å trykke på Tilbake til PID. 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. Oppgave 5a Stopp tegning av kurver med Kurvestopp. Se på diagrammet. Kopier diagrammet over i worddokumentet. Hva gjorde regulatoren mens autotuninga var aktivert? Oppgave 5b Gå inn på P, I og D i regulatoren og finn verdiene på Kp, Ti og Td som ble resultatet av autotuninga. Oppgave 5c Hvordan er verdiene fra autotuninga i forhold til verdiene du fant med Ziegler-Nichols metode? 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) og P-forsterkinga, Kp integrasjonstida, Ti og derivasjonstida, Td med de verdiene du fant. 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 ) 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.

7 7 Tank 4 øving 1 Oppgave 5d Hvilken type innsvingningsforløp får du? 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? Oppgave 5e Zoom inn og kopier innsvingningsforløpet over i word-dokumentet. Oppgave 5f Sammenlikn innsvingningsforløpene med regulatorinnstillingene direkte fra Ziegler-Nichols metode og fra autotuninga. Hvilken av disse er best uten etterjustering? Begrunn svaret. Tillegg 1 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. 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. Tillegg 2 Autotuning 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 selvjustering.