Inst. for elektrofag og fornybar energi

Transkript

1 Inst. for elektrofag og fornybar energi Fag TELE2001 Reguleringsteknikk Simulink øving 3 Utarbeidet: PHv Revidert sist Fredrik Dessen Hensikten med denne oppgaven er at du skal bli bedre kjent med simulering med Simulink. Du skal simulere ei reguleringssløyfe med forskjellige regulatorparametre. Dette kan hjelpe deg til først å forstå hvordan I-delen i en PI-regulator fungerer i reguleringssløyfa. Deretter skal du studere virkninga av D-delen i en PID-regulator. Besvarelse Utførelsen av denne oppgaven skal dokumenteres i form av et Word-dokument som leveres inn seinest en uke etter den timeplanlagte kjøringa på datasalen. Dette dokumentet skal inneholde korte svar på spørsmålene i oppgaven, og de figurene du blir bedt om å lime inn i dokumentet. Det skal stå navn på alle gruppemedlemmer (maks 3) og dato påført alle figurer allerede i Matlab. Det beskrives i Simulink-øving 1 hvordan man gjør dette. Oppstart av Matlab. Simulink er en del av Matlab. For å starte opp Simulink-modellen må du først starte opp Matlab. Før du starter selve jobben er det greiest å sette opp en standard arbeidskatalog for Matlab. Du skal bruke en katalog for midlertidige filer som heter c:\temp. På denne katalogen kan du lagre mens du holder på med dagens øving. Vent med å kopiere filene du vil ta vare på til du er ferdig med dagens øving. Årsaken til at du ikke skal bruke nettkatalogen din er at det fører til stor nett-trafikk og sein simulering. Gjør dette a) Logg deg inn på skolens nett og start deretter Windows. b) Dobbeltklikk på Matlab-ikonet og vent til MATLAB Command Window er åpnet. c) I arbeidsvinduet skifter du katalog på vanlig måte. Hvis du liker å bruke fil-browser, finner du funksjonalitet for dette på linja over kommandovinduet. Finn fram til og velg C:\tempkatalogen. Alternativt skriver du bare cd C:\temp (og linjeskift) i kommandovinduet. d) Dersom du vil se på innholdet i denne katalogen kan du se i sidevinduet som heter Current Folder, eller skrive dir (og linjeskift) i kommandovinduet. e) Sjekk også at K:\Fag\AFT\EDT\_FAG\REGTEK1 er i søkestien til Matlab. Matlab hjelp Ikke alle detaljer i vil blir forklart her. Det følger med gode hjelpefiler til Matlab og Simulink. Disse finnes ved å velge fanen HOME i MATLAB, deretter klikke på spørsmålstegnet i RESOURCES. Modifisering av ferdig modell. For å spare litt tid skal du bruke den ferdige Simulink-modellen simlab3start som et utgangspunkt. Dette er samme modellen som simlab1 fra første Simulink-øving Du åpner denne ved å skrive simlab3start i kommandovinduet. Du skal da få opp vinduet nedenfor. Du må lagre denne Simulink-modellen som simlab3 under c:\temp og jobbe videre med den derfra.

2 Du skal endre på flere blokker her, så du til slutt ender opp med et blokkskjema som vist i neste figur. Den analoge regulatoren henter du ut fra phlib (åpnes ved å skrive phlib i kommandovinduet), mens overføringsfunksjonene for Ventil, Tank og Nivåmåler endres som vist på figuren nedenfor. Pass på at referansen skal være en sprangrespons. Ventil. Tank Nivåmåler. Tidskonstantene er implisitt oppgitt i sekunder. Merk at fargene som nevnes i diagrammet gjelder fargene på kurvene i skopet, men dessverre ikke i Simulation Data Inspector før du evt. selv har endret disse fargene. Oppgave 1 Kopier bildet av modellen over i Word-dokumentet Ziegler-Nichols metode. Du skal nå bruke Ziegler-Nichols metode til å finne fram til et forslag til innstilling for PI-regulatoren. I den forbindelse kan det være greit at prosessen befinner seg midt i sitt arbeidsområde. Det anbefales derfor å La Forstyrrelsen Utventil være et «sprang» fra 0.5 til 0.5 når t = 0. Step time 0; Initial value 0.5, Final value 0.5, Sample time 0. La Nominelt pådrag i regulatoren stå på 0.5 La Referanse stå fast på 0.5, dvs med både Initial value og Final value på 0.5 Du kan velge å kjøre prosessen kontinuerlig mens du finner kritisk forsterkning. Alternativt kan du utføre en komplett kjøring for hver forsterkning du ønsker å forsøke. simlab3start er i utgangspunktet satt opp med henblikk på det siste alternativet. Tips for kontinuerlig kjøring er samlet sist i oppgaveteksten.

3 Oppgave 2 Finn først kritisk forsterking og kritisk periodetid, og kom deretter fram et forslag til innstilling av Kp og Ti for en PI-regulator. Se side i læreboka. Oppgave 3 Bruk denne innstillinga av Kp og Ti og undersøk hvilken type innsvingningsforløp du får dersom verdien på Utventil gis en sprangendring fra 0.25 til 0.5 ved t = 150. Step time 150, Initial value 0.25 og Final value 0.5. Sample time skal stå på 0. Hvilken type innsvingningsforløp får du? Forløpet, med forklaring på hva som er referanse og hva som er nivå i tanken skal kopieres over i Word via Simulation Data Inspector (SDI). Tilpasning av tidsakse i Simulation Data Inspector (SDI) Årsaken til at du skal flytte tidspunktet for spranget er at systemet skal roe seg ned først. Denne første innsvingningen ønsker vi å fjerne fra plottene. Under kortet FORMAT, seksjonen T-AXES LIMITS i SDI, klipp bort første del av forløpet ved å sette Min-verdien til f. eks. 145 for å få med forløpet fra litt før 150 og fram til 300. Innsvingningsforløpet med forskjellige integrasjonstider i det samme diagrammet Oppgave 4 Du skal nå sette P-forsterkinga lik 1.0. Pass på at Utventil er satt til et sprang fra 0.25 til 0.5 når t = 300. Stopptid for simuleringen kan du sette til 600 sekunder. De første 300 sekunder brukes for å stabilisere nivået i tanken etter oppstart. Deretter kommer 300 sekunder som viser hva som skjer etter spranget i utløpet. De forskjellige I-tidene du skal simulere er 1000, 50, 20 og 10. Kopier innsvingningsforløpene for nivået over i Word via SDI. Vis forløpet fra t = 295 til t = 600 sekunder. Alle forløpene skal inn i samme figur, men det holder å ta med nivået i tanken for hvert tilfelle. Sett på hvor stor Ti er for hver kurve. Hvis simulering stopper opp før den er ferdig Se tips til slutt i oppgaveteksten. Flere kurver i samme diagram Til dette bruker vi Simulation Data Inspector som beskrevet i Simulink 1, for så å eksportere derfra til et figurvindu ved bruk av Send to Figure i SDI. Oppgave 5 Utfør til slutt et innsvingningsforløp med integraltid lik 5. Kopier dette innsvingningsforløpet over i Word som en egen figur, men med samme tidsakse som i Oppgave 4. Oppgave 6 Studer kurvene Hvilken integraltid gir omtrent minimum areal? Hvilken integraltid gir omtrent minimum forstyrrelse? Hva skjer om integraltiden blir for kort?

4 Derivatordelen i en PID-regulator. Oppgave 7 Bruk kritisk forsterking og kritisk periodetid fra Oppgave 2 sammen med Ziegler-Nichols håndregler for en PID-regulator og regn ut Kp, Ti og Td. Hvilke verdier får du? Oppgave 8 I første omgang skal du sette inn verdiene for Kp og Ti som du nettopp fant for en full PID, men sette Td lik null. La Utventil gjøre et sprang fra 0.25 til 0.5 når t = 150. Sett i tillegg stopptiden til 300 sekunder. Hva skjer når du simulerer dette? Oppgave 9 Du skal nå simulere med verdiene for Kp og Ti som du fant over, men nå skal du lage ett diagram med innsvingningsforløpet med følgende verdier for Td: 0.5, 1.0, 1.5 og 3.0. La Utventil gjøre et sprang fra 0.25 til 0.5 når t = 150, og fortsett med de samme simuleringsinnstillingene. Kopier innsvingningsforløpene for nivået over i Word via SDI. Du skal ha 4 forskjellige innsvingningsforløp i den samme figuren. Oppgave 10 Lag et eget diagram (med samme tidsakse) hvor Td = 5.0. Hva skjer? Skrittlengde Pass på skrittlengden under simulering. Den bør være 10 ganger mindre enn minste tidskonstant: I dette tilfellet, når Td = 0.5 bør skrittlengden være mindre enn 0.05 sekunder. På figuren med de fire forløpene skal du sette på hvor stor Td er for hver kurve. Hvis bare deler av kurveforløpet vises i skopet Se tips til slutt i oppgaveteksten. Tilpasning av akser i Simulation Data Inspector (SDI) Under kortet FORMAT, seksjonen T-AXES LIMITS i dette programmet klipper du bort første del av forløpet. Sett Min-verdien til f. eks. 145 for å få med forløpet fra litt før 150. Du kan også redusere Max-verdien etter behov. I seksjonen Y-AXES LIMITS tilpasser du største og minste y-verdi. Det er lurt å vente med disse tingene til etter at du har samlet alle kurvene dine. Oppgave 11 Forklar hvordan forskjellige verdier for Td virker inn på innsvingningsforløpet. Stikkord: Dynamisk avvik og stabilitet. Hvilken verdi for Td ville du valgt om du skulle ha et innsvingningsforløp av typen minimum areal? Hvilken innstilling ville du valgt for minimum forstyrrelse? Oppgave 12 Bruk verdiene du fant for Kp, Ti og Td i Oppgave 7. Bruk ellers innstillinger som i Oppgave 8 og 9. Hvordan blir innsvingningsforløpet her? Er det nødvendig med etterjustering om vi ønsker et innsvingningsforløp av typen minumum forstyrrelse? Hvordan ville du i så fall etterjustert? Zoom inn på innsvingningsforløpet best mulig (i SDI) og kopier figuren over i Word. Oppgave 13 Hvordan vurderer du innsvingningsforløpet ved sprang i Utventil med PID-regulator i forhold til det du fant for PI-regulator i Oppgave 2?

5 Hvis du vil finne kritisk forsterkning under kontinuerlig kjøring Gå inn på Simulation > Model ConfigurationParameters > Solver. Sett stopptiden til for å få kontinuerlig simulering, og maks skrittlengde til for at simuleringa ikke skal gå så fort. Avhengig av hvor rask PC-en er, må du kanskje korte ned enda med på maks skrittlengde. Nå kan du variere verdien på Kp under kjøring i menyen til Analog reg-blokka. Når det gjøres mange forsøk med hyppige endringer i parametre Krymp og tilpass vinduene dine så du får plass til både Simulink-modellen, skopet og innmatingsfeltet til regulatoren samtidig på skjermen uten at de overlapper hverandre. Når du endrer verdier på f. eks. Kp så pass på å bruke Apply og ikke OK. Med Apply blir innmatingsvinduet stående på skjermen. Se direkte hvordan verdiene påvirker kurvene på skopet. Hvis simulering stopper opp før den er ferdig Det kan hende at Simulink tilsynelatende henger under simulering med Solver options Type: Variable-step. Dersom dette skjer må du stoppe simuleringa og så prøve å endre på noen av parametrene i Simulation > Configuration Parameters... En løsning er å gå inn i feltet Zero crossing control og endre dette til Disable all. Dette er normalt mer effektivt enn Use local settings, men metoden er ikke like nøyaktig når blokkmodellen inneholder ulineære elementer som metningsblokker. Problemet med at Simulink henger, har ofte sammenheng med variabel skrittlengde og metningsblokker. Da prøver Simulink å regne seg fram til nøyaktig tidspunkt hvor metning inntrer. Særlig variabel skrittlengde sammen med Initial step size: auto ser ut til å skape problemer en gang imellom. Som oftest løses problemet ved å Disable all zero crossing control. Hvis bare deler av kurveforløpet vises i skopet Dersom du bruker kort skrittlengde og lang simuleringstid over skop-skjermen kan det hende at du bare får med deg siste delen av kurvene. Første delen av kurvene forsvinner. Dette skyldes at Matlab bare lagrer de 5000 siste tidsskrittene som standard. Dette problemet kan du løse ved å gå inn på skop-vinduet og så klikke ikonet. Scope Parameters > History > Limit datapoints to last Har du en PC med mye minne kan du i stedet fjerne haken i feltet til venstre. Da er det ingen øvre grense på antall datapunkter som kan lagres i skopet.