KYBERNETIKKLABORATORIET. FAG: Kybernetikk DATO: OPPG. NR.: R134 TEMPERATURREGULERING

Transkript

1 KYBERNETIKKLABORATORIET FAG: Kybernetikk DATO: OPPG. NR.: R134 TEMPERATURREGULERING Denne øvelsen inneholder følgende momenter: a) En prosess, styring av luft - temperatur, skal undersøkes, og en matematisk modell av prosessen skal utformes. b) Ved hjelp av en P-regulator skal prosessen reguleres, og det skal undersøkes når prosessen blir ustabil. Dette skal utføres ved hjelp av Bodediagram og ved praktiske målinger. c) Statiske og dynamiske feil skal undersøkes, og de forbedringer som kan oppnås ved andre regulatortyper (PI, PD og PID) skal undersøkes. d) Protokollen som skal skrives skal inneholde de nødvendige detaljer til at en rekonstruksjon av forsøkene er mulig. Instrumenter/Apparatur: Process Trainer PT326 Process Control Simulator PT327 evt. en egen PID regulator Oscilloskop Multimeter

2 Beskrivelse av Prosesstraineren: Ved hjelp av treningsmodellen Process Trainer PT326 skal vi undersøke en temperaturprosess. En skisse av modellen er vist i figur 1. Figur 1 PT326 Prosessen: Til venstre på modellen, i punkt C, kan vi måle en spenning. Denne spenningen styrer et effekttrinn (power supply), som varmer opp den luften som blåses gjennom røret vha. en vifte. Luftstrømmen kan varieres vha. et spjeld eller 'throttle control' (avhengig av hvilken modell som brukes), som i denne oppgaven ikke skal endres (spjeldåpning ca. 40 'throttle control' ca. 4). Luftens temperatur måles vha. en målekork som kan plasseres 3 forskjellige steder på røret. Luften strømmer gjennom et hull i målekorken, der en temperaturføler er montert. Det er viktig at målekorken plasseres slik at markeringsstreken på korken ligger i rørets lengderetning. Vha. en målebro (bridge circuit) får vi en spenning (i punkt Y) som er et mål for luftens temperatur. Denne spenningen føres også til et viserinstrument der temperaturen kan avleses (process temperature - measured value). Prosessen (fra punkt C til punkt Y) endres ved at målekorken plasseres i et annet hull. I denne oppgaven skal korken plasseres i hull nr. 1 og i hull nr. 3 fra venstre. Vi betegner de 2 prosessene som prosess 1 og prosess 3.

3 - 3 - Regulator: Referansen er en spenning som stilles inn vha. knappen set value. Den valgte referansen kan endres ved at en forstyrrelse (set value disturbance) blir lagt til. Den totale referanse verdi (ønsket temperatur) kan avleses på et viserinstrument (process temperature -set value). Comparing element er en avviksberegner, hvor differansen mellom den totale referanse verdi og spenning i punkt X beregnes. Som regulator kan vi bruke den interne P-regulatoren i modellen. Forsterkningen justeres vha. knappen % propotional band. Forsterkningen er lik 100 x inverse verdi av det som leses på skalaen. Vi kan også bruke en ekstern regulator, som kobles mellom B og A. Valg mellom intern og ekstern regulator skjer med en bryter. Utgangen av regulatoren skal i denne oppgaven sendes til punkt C via blokken continuous control. Dersom two-step control brukes, får vi en av-på regulering som ikke skal undersøkes i denne oppgaven. Utførelse: 1) Lag en skisse over systemet, der alle deler av systemet identifiseres og gis navn. Referer til denne skissen i det videre arbeidet med oppgaven. 2) Vi skal nå bestemme overføringsfunksjonen til prosessene 1 og 3: De statiske karakteristikkene skal først bestemmes. Koble opp som vist i figur 1. Ved å koble sammen punktene A og B vil regulatoren ha verdien 1, og den åpne sløyfeforsterkningen vil være lik prosessens forsterkning. 2a) Still inn en inngangsverdi vha. set value knappen, og mål spenningen i punkt Y (prosessens utgang) som funksjon av spenningen i punkt B. Les av process temperature - set value for hver måling. Lag en tabell og tegn kurver (bruk Excel, evt. millimeterpapir), og bestem den statiske forsterkningen K 1 og K 3 for de 2 prosessene når arbeidspunktet skal være 35 C. 2b) De dynamiske parametrene til prosess 3 skal nå bestemmes vha. spranganalyse. Velg arbeidspunktet 35 C vha. set value knappen. Spranget oppnås vha. bryteren set value disturbance - internal. (Spranget er på 2,5V og representerer en temperaturøkning på ca. 7 C). Bruk lagringsoscilloskopet, og observer spenningene i punktene Y og B som funksjon av tiden. Mens spenning i punkt B vises som et sprang, vil spenningen i punkt Y se ut som et 2.ordens system med 2 reelle poler fulgt av en transport/tids-forsinkelse. Polene i 2.ordens systemet ser ut til å være svært forskjellige, og vi kan derfor approximere dette med et 1.ordens system fulgt av en liten transport/tids-forsinkelse.

4 - 4 - Bestem sluttverdien til prosessens utsignal (punkt Y), og finn 1.ordens systemets tidskonstant T 3 og den totale transportforsinkelsen 3 vha. oscilloskopbildet (NB. T er den tiden det tar til 63% av svinget er utført, uansett startpunkt). 2c) Bestem T 1 og 1 for prosess 1. 3) I de etterfølgende deler av oppgaven skal vi kun se på prosess 3. Figur 2 PCS327 Prosessen skal nå kobles sammen med PID-regulatoren i PCS327 (se figur 2). En ledning forbinder punkt B på PT326 med en av inngangene til PID-regulatorens summepunkt, og en annen ledning forbinder utgangen av PID-regulatoren med punkt A på PT326. Punktene Y og X på PT326 kobles sammen. Husk å koble sammen jord på de 2 enhetene. I første del av oppgaven skal I- og D-leddet på PCS327 frakobles. Still derfor knappene integral action og derivative action så mye mot klokka som mulig (T i og T d 0). 3a) Tegn blokkskjema for hele reguleringssystemet. Bruk dette til å bestemme overføringsfunksjonen til det tilbakekoblede system med set value som innsignal og spenningen i punkt Y som utsignal.

5 - 5-3b) Forklar kort hvorfor det tilbakekoblede systemet kan bli ustabilt. Skisser Bodediagrammet. Finn den vinkelfrekvens der fasen er -180, og les av prosessens forsterkning for denne frekvensen. Dette blir simulert i en annen oppgave og skal i denne oppgaven beregnes. Med I- og D-leddet frakoblet (PCS327), bestem P-leddets teoretiske forsterkning K k som gjør det tilbakekoblede systemet ustabilt. 3c) Det teoretiske resultatet fra punkt 3b skal nå bekreftes. Observer prosessens utsignal når forsterkningen sakte økes, knappen % proportional band på PCS327 vris med klokka. Noter skalaverdien der ustabilitet inntreffer, og bestem K k (den kritiske forsterkning). Øk regulatorens forsterkning slik at svingningene blir tydelige, og bestem svingningenes periodetiden T k, frekvens f k og vinkelfrekvens k. 3d) I de etterfølgende punkter skal Ziegler-Nichols metoder brukes. Reduser P-regulatorens forsterkning til 0,5K k. Vi lager et innsignal ved å slå bryteren, set value disturbance - internal på PT326, på og av. Observer prosessens utgang (punkt Y) og feilsignalet (punkt B). Lagre disse signalene vha. oscilloskopet. Mål det statiske avviket når pulsen er positiv og når den er negativ. 3e) Gjenta 3d med en PI-regulator. Sett K lik 0,45K k, og velg en integrasjonstid T i lik 0,85T k. Vis vha. sluttverditeoremet at det statiske avviket blir lik 0. 3f) Gjenta 3d med en PID-regulator. Sett K = 0,6K k, T i = 0,5T k og T d = 0,12T k. 3g) Sammenlign resultatet av de målingene som er gjort under punktene 3d til 3f. Hvilken forbedring oppnås ved bruk av PI- og PID-regulatorene etter Ziegler-Nichols metode? Sluttreplikk: Ziegler-Nichols metode krever liten teoretisk kunnskap, og brukes mye innen praktisk reguleringsteknikk