Inst. for elektrofag og fornybar energi

Transkript

1 Inst. for elektrofag og fornybar energi Fag TELE2001 Reguleringsteknikk Simulink øving 1 Utarbeidet: PHv Revidert sist Fredrik Dessen Hensikten med denne øvingen er at du skal bli kjent med Simulink og se hvordan du kan bruke dette programmet til å simulere en ferdig reguleringssløyfe. Simulink er en del av Matlab fra MathWorks. Du finner informasjon om installasjon på egen PC på itslearning. 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 lenger ned i teksten 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. 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. Oppstart av Simulink og ferdig Simulink-modell Ferdige modeller startes direkte fra Matlab sitt kommandovindu ved å skrive navnet til modellen. Da startes også Simulink. Ønsker du bare starte Simulink, skriver du bare simulink i kommandovinduet. Betingelsen for at Matlab skal finne modellen du vil starte er at den er plassert i en katalog som finnes i Matlab sin søkesti (path). I vårt tilfelle er modellen plassert på katalogen K:\Fag\AFT\EDT\_FAG\REGTEK1. For å sjekke hva som ligger i Matlab sin søkesti er det enklest å gå inn på fanen HOME bort til feltet ENVIRONMENT og velge Set Path. Da kommer det opp et vinduet med ei liste over alle katalogene det er direkte søkesti til. Dersom du ikke finner katalogen blant katalogene som vises, kan du legge til katalogen midlertidig slik a) Du har allerede gått inn under HOME>ENVIRONMENT>Set Path og fått opp Set Pathvinduet. Velg Add Folder og så du får opp Add Folder to Path. 1

2 b) I dette vinduet finner du fram til katalogen du ønsker å inkludere i søkestien. I vårt tilfelle er dette K:\Fag\AFT\EDT\_FAG\REGTEK1. Du må klikke på denne, deretter godkjenner du valget med å trykke på Velg mappe. Når du har gjort det kommer du tilbake til Set Path-vinduet. Her vil den valgte katalogen havne øverst i MATLAB search path-lista. Dersom du er fornøyd med det kan du i prinsippet avslutte på to måter: 1) Med Close. Da blir den nye katalogen bare med i søkestien denne sesjonen. 2) Med Save før du velger Close. Da blir den nye katalogen med i søkestien hver gang du bruker Matlab. På skolens maskiner er Matlab-katalogen skrivebeskyttet. Du får derfor ikke lagret søkestien til neste gang. Kjøring av ferdig Simulink-modell og bruk av skop-vinduet. a) Henting av modell. Du kan nå starte modellen simlab1.mdl ved å skrive simlab1 fra kommandovinduet. Du skal da få opp dette vinduet. Du må klikke i vinduet for å få farger i menylinja øverst. b) Innstilling av parametre. Før du starter simuleringa bør du gå inn på Simulation i menyen og velge Model Configuration Parameters. Da får du opp et vinduet hvor du kan velge Solver. Her kan du sette inn starttid for simuleringa (som oftest 0) og stopptid. Du kan stoppe simuleringa manuelt før sluttida, men simuleringa vil stoppe seinest når sluttida er nådd. I første omgang kan du sette inn 120 sekunder. Du kan velge andre ting også. I denne omgang kan du sette verdien sånn som de står på figuren her og deretter trykke på OK. Som et raskere alternativ kan du gå inn i innmatingsfeltet direkte på verktøylinja og skrive inn stopptida der. c) Simulering og skopvindu. Du er nå klar til å starte. Det gjør du ved å klikke på trekantikonet på verktøylinja. Nederst på rammen til Simlab1-vinduet kommer det informasjon om simuleringas gang. Når simuleringa er ferdig står det Ready i hjørnet nederst til 2

3 venstre. Det dukker ikke alltid opp noen kurver med en gang, men du kan dobbeltklikke på Scope-blokka. d) Autoskalering. Aksene er ikke alltid særlig lurt valgt. Dette kan du endre på ved å trykke på (Autoscale), i toppen. Gjør du det skal aksene tilpasse seg kurvene på den best mulige måten. Etter det bør figuren se ut som her. Prøv de tre Zoommulighetene til venstre for Autoscale. Bruk Autoscale for å komme tilbake. e) Manuell skalering av Y-aksen og påsetting av overskrift. Dersom du ønsker å bestemme y-aksen selv kan du gjøre det ved å høyreklikke inni diagrammet, og velge Axes Properties. Da dukker det opp en dialogboks hvor du kan sette f. eks. Y-min til -0.1 og Y-max til 1.1. Gjør det. Bearbeiding av skop-vinduet. Det som står her er kun nødvendig hvis man skal ta ut bilde av det her omtalte skopet, f. eks. gjennom et utklipp av skjermen, eller ved å bruke Print-funksjonen der den fungerer. Merking av figurer Innleverte Simulink-øvinger skal ha dato og navn på alle gruppedeltakerne (maks 3) påført alle figurer allerede i dette Scope-vinduet for å bli godkjent. Sett derfor inn overskrift allerede nå. Da sparer du litt arbeid seinere. a) Du legger inn overskriften i feltet Title. Du kan bare slette det som står der fra før. Velger du Apply vil du se endringene uten at du lukker dialogboksen. Velger du OK vil dialogboksen lukke seg. b) Manuell skalering av tidsaksen. Dersom du ønsker å bestemme tidsaksen selv kan du gjøre det ved å klikke tannhjul-ikonet (Parameters) oppe til venstre. Under General-kortet kan du sette Time range til 120. (NB! Vil du ha tilbake autoskaleringa av tidsaksen må du skrive auto her!) Sett time range til 120 og trykk på Apply. Du kan også eksperimentere med Number of axes og Tick labels. Under kortet Style kan du endre på farger m.m. c) Endre linjefarger og bakgrunn. Dersom du ønsker å bestemme tidsaksen selv kan du gjøre det ved å klikke tannhjul-ikonet (Parameters) oppe til venstre akkurat som ovenfor. Øverst under Style-kortet kan man velge bakgrunnsfarge, samt farge på akser og bakgrunnen på selve plottet. Nedert under Style-kortet kan man velge hvordan selve grafene skal se ut, slik a. Hvilken linje velges i drop-down-boksen Properties for line b. Deretter velges linjetype, -bredde og farge, samt evt. Markering av datapunkter. 3

4 Simulation Data Inspector Den foretrukne fremgangsmåten for å lage mer avanserte plott går via Simulation Data Inspector. En måte å komme i gang med bruken av dette er å klikk symbolet til venstre i, i Matlab Command Window. Nå starter Simulation Data Inspector med en kort veiviser. Det etterfølgende er en beskrivelse som sier noe av det samme. a) Klikk på pila mellom multiplekseren og skopet i Simulink-vinduet. Se figur ovenfor. På denne måten velges signalene fra multiplekseren. b) Gå deretter inn i menyen til høyre i, som heter Simulation Data Inspector, og velg Stream Selected Signals to Data Inspector. c) Kjør simulering d) Om du ikke allerede har gjort det: klikk symbolet til venstre i, som starter Simulation Data Inspector. I Simulation Data Inspector kan du når som helst velge hvilke kurver du vil plotte, og hvilken farge de skal ha. Programmet husker også hva du har simulert før Du har også samme mulighet for zooming som i Scope. Figuren nedenfor viser hvordan to kjøringer evt kan legges oppå hverandre. Mux-signalene er nummert ovenfra og ned i både i Simulink- og Inspector-vinduene. Altså i vårt tilfelle Utventil, Nivå, Referanse og til slutt Pådrag. De to første vises bare en gang. De to siste vises for begge kjøringene. 4

5 I Simulation Data Inspector, bruk Send to Figure i SHARE-seksjonen for å generere et figurvindu med samme plott. Det er dette figurvinduet (som beskrives nedenfor) som skal leveres i besvarelsen. 5

6 Behandling av kurver i figurvinduet Her er det mye du kan gjøre, men bare det aller viktigste blir tatt her. For å få lov til å editere i figurvinduet må du passe på at (Edit Plot) ikonet er trykket inn. a) Plot Edit Toolbar og Property Editor kan du få fram hvis du går inn på View og merker dem av i undermenyen. Figure Toolbar kan du også merke av om det ikke allerede er gjort. Du får noe som likner på figuren til høyre. b) Overskrift, aksenavn og aksegrenser kan du sette på ved hjelp av vinduet Property Editor - Axes som dukker opp når du dobbeltklikker inni diagrammet. På x-aksen skal det stå: Tid [sekunder], og på Y- aksen: Normaliserte verdier. Sett følgende overskrift: Nivåregulering av tank. Dato. Navnet på deltakerne i gruppa. c) Tekst, piler og bokser kan settes på diagrammet ved først å klikke på et av følgende ikoner, og så gå inn i figuren. Insert Text Arrow (Pil med T) kan brukes til å navngi kurver. Når du drar musemarkøren over diagrammet skal den skifte til et svart kryss. Trykk inn venstre musetast der du vil at teksten skal stå, trekk pila ned til der du vil peke, og slipp. Etterpå skriver du inn tekst. Du kan klikke på pila siden og flytte endepunktene om du ikke er helt fornøyd med plasseringa. Sett navn og pil til de fire kurvene: Referanse, Nivå i tank, Pådrag og Utventil. Se om du får til å ha hvit bakgrunn på tekstfeltet. d) Farger på kurvene kan du atter en gang endre ved å klikke på en kurve og så gå inn i Property Editor-vinduet. Lyse farger er veldig dårlig på utskrift. Eksperimenter litt med farger og linjebredder. e) Figur over til tekstbehandlingsprogram kan ordnes på forskjellige måter. Den enkleste er å kopiere figuren til klippebordet som Windows metafile, og deretter lime den inn i tekstbehandlingsprogrammet direkte. Dette gjøres med Edit/Copy figure. Sjekk først Edit/Copy options, og at du bruker hvit bakgrunn (Force white background) og windows metafile (Metafile evt Preserve information). Tidligere førte denne metoden til at du kunne redigere bildet videre i tekstbehandlingsprogrammet. Det blir ikke lenger bra i Word. Du må derfor passe på å bare bruke mørke kurvefarger og ellers sette på de pilene og den teksten du trenger allered i MATLAB før du kopierer bildet over i Word. 6

7 Oppgave 1 Kopier figuren din over til Word Mer om den ferdige modellen simlab1 Simlab1 inneholder flere ting som demonstrerer mulighetene i Simulink. a) Blokker og signal-linjer. Modellene i Simulink bygges opp som blokkdiagram. Med Simulink kommer det en mengde ferdige blokker. Ønskete blokker plasseres i modellen og forbindes med signallinjer (forbindelseslinjer). Hvordan dette gjøres skal du lære i neste Simulink-øving, men det er ganske enkelt for den som har brukt andre tegneprogrammer med blokker og piler. b) Superblokker. For å få et ryddig blokkskjema er det ofte lurt å samle flere blokker i overordnete blokker. Disse kalles superblokker. Superblokker kjenner du igjen ved at SubSystem er første informasjonen om blokka som står i info-boksen som dukker opp når musepila plasseres på blokka. Superblokker som ikke er maskert kan du få fram innholdet av ved å dobbeltklikke på dem. Et alternativ er å høyreklikke på blokka og så velge Open eller Mask/Look under Mask. Dersom du gjør dette på P-reg med pot-blokka vil vindu et til høyre åpnes. I dette vinduet kan du igjen dobbeltklikke på Kp-blokka og få fram et pot.meter. For å komme tilbake til det originale blokkskjemaet kan du klikke på første ledd i hierarkiet dvs. To andre alternativ er de blå pilene som heter Back eller Up to Parent. c) Endring av parameterverdier gjør du normalt ved å dobbeltklikke på blokka og så skrive inn den nye verdien. Du skal nå forandre Referansen til 0.5. Klikker du på OK lukkes boksen. Simulering av reguleringssløyfa med P-regulator a) Stasjonært avvik ved forskjellige P-forsterkninger. Referanse skal være 0.5 og Utventil skal ha et sprang fra 0 til 0.25 når t=0. Finn ut hvor stort det stasjonære avviket blir ved følgende P-forsterkinger: 1, 2, 4, 7 og 10. Oppgave 2 Lag en tabell i Word som viser KP og stasjonært avvik, på samme måte som i Tank 4 øving 1 b) Det skal lages en figur som viser innsvingningsforløpene ved disse fem forskjellige P- forsterkingene. Det er ikke mulig å sammenlikne flere forskjellige tidsforløp i et skop. Derimot går det å lagre flere kjøringer i Simulation Data Inspector. Simuler reguleringssløyfa i 100 sekunder med KP = 1. Kopier kurvene fra skopet over i et figurvindu. Sett KP 7

8 = 2 og simuler reguleringssløyfa pånytt i 100 sekunder. Simulation Data Inspector husker begge kjøringene. Fortsett slik til alle simuleringene er utført. Rediger til slutt i Simulation Data Inspector, deretter i figurvinduet, hva som som skal vises. c) Nivået for KP = 10 bør være stipla. Sett på overskrift, aksetekster og andre tekster og piler så figuren ser ut som vist her. Oppgave 3 Kopier figuren over i et Word-dokument. Innstilling etter Ziegler-Nichols håndregler. Dette er omtalt i avsnitt 2.6, side 44 i læreboka. Sett simuleringstiden til for å få kontinuerlig simulering, og maksimal steglengde til f. eks (eller enda kortere) for at simuleringa ikke skal gå så fort på skjermen. Nå kan du variere verdien på KP under kjøring via potmeteret. Prøv å finne den verdien på KP som gir omtrent stående svingninger uten at verken prosessverdi eller pådrag går i metning. Denne verdien for KP kalles kritisk forsterking, KK. Registrer også kritisk periodetid TK. Oppgave 4 Finn kritisk forsterking og kritisk periodetid. Oppgave 5 Kopier figuren som viser den stående svingningen over i besvarelsen. Tips til disse oppgavene Du må stoppe simuleringa for å kopiere. Det holder ikke bare med pause Dersom du bare ser siste del av kurva når simuleringa stopper kan du endre på dette ved å gå inn på Parameters-ikonet i skop-vinduet. Scope Parameters > History > Limit datapoints to last (evt mer enn ) 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 scopet. Oppgave 6 Ziegler-Nichols håndregler sier at man for en ren P-regulator velger KP = 0.5 KK. Med denne verdien for KP skal du simulere reguleringssløyfa i 120 sekunder med referanse lik 0.5 og et sprang i Utventil fra 0.5 til 0.25 når t = 60. Dokumenter innsvingningsforløpet med en figur som du limer inn i besvarelsen. Hvilken type innsvingningsforløp får du med den valgte P-forsterkinga? 8