AVDELING FOR INGENIØRUTDANNING EKSAMENSOPPGAVE

Transkript

1 AVDELING FOR INGENIØRUTDANNING EKSAMENSOPPGAVE Emne: Gruppe(r): Eksamensoppgaven består av: Kybernetikk I E Antall sider (inkl. forsiden): 7 Emnekode: SO 8E Dato: 7. juni Antall oppgaver: Faglig veileder: Veslemøy Tyssø Bjørn Engebretsen Eksamenstid: T Antall vedlegg: Tillatte hjelpemidler: Alle skrevne og trykte hjelpemidler, skrivesaker og kalkulator Kandidaten må selv kontrollere at oppgavesettet er fullstendig. Ved eventuelle uklarheter i oppgaveteksten skal du redegjøre for de forutsetninger du legger til grunn for løsningen. Utarbeidet av Kontrollert av (en av disse): (faglærer): Annen lærer Sensor Studieleder/ Fag koordinator Studieleders/ Fag koordinators underskrift: Avdeling for ingeniørutdanning Cort Adelersgate 4 Oslo tlf: 4 faks: 4 iu@hio.no

2 Oppgave Reguleringsteknikk (%) Anta følgende prosess: Væske Nitrogen () Tank Pumpe () () Tank Figur Tank er en buffertank der vi ønsker rimelig konstant væskenivå. Dette sørger vi for med en ventil og en nivåmåler. Tank har som oppgave å levere en væskestrøm med konstant hastighet og flow på utløpet fra ventilen. For å oppnå god regulering og nødvendig hastighet på væsken regulerer vi både nivå og trykk i toppen av tanken. Dette gir oss mulighet til å sette tanken under overtrykk og således få en høyere hastighet enn hva nivået skulle tilsi. Anta at utløpet av tank to er satt fast til % åpning. Vi har tre reguleringssløyfer. a) Angi funksjon for instrumentene, og. b) Angi en relevant styring av nivået i tank. Angi en ventil type og en nivåmåler samt en regulator som vil løse oppgaven, forutsett at vi har et konstant utløp til tank. c) Angi en relevant regulator for styring av nivået i tank. Vi benytter en frekvensstyrt pumpe og en svært nøyaktig nivåmåler.

3 d) Trykksløyfen benytter en reguleringsventil og en trykktransmitter. Angi en relevant regulator. e) Hva slags transferfunksjon har tank med hensyn på nivået når vi antar at vi har et konstant utløp til tank? f) Hva slags transferfunksjon har tank med hensyn på trykkreguleringen? g) Vi velger å benytte tre separate sløyfer, hvorfor er dette mulig? h) Hvilken av de tre sløyfene har størst innflytelse på væskens hastighet ut fra tanken? i) Bernoullies lov forklarer sammenhengen mellom situasjonen for en væske i et prosessanlegg. Forklar hvordan vi kan bruke Bernoullis lov til å finne hastigheten på væsken ut av tank ( i figur ) Bernoullies lov: Oppgave Anleggsteknikk (%) a) Hvilke typiske ventiler vil vi finne i et anlegg? b) Hvilke egenskaper bør en reguleringsventil ha, og hvilke kan vi ikke forutsette at den har. c) Når vi sier en ventils karakteristikk, hva mener vi med det? d) Når vi designer et anlegg kan vi velge mellom konvensjonell kabling og feltbuss. Hvilke typiske tegninger og dokumenter trenger vi for et konvensjonelt anlegg? Lag en kort oversikt og noen kommentarer. e) Ofte arbeider norske bedrifter med eksplosjonsfarlige områder. Hva er et sonekart? f) Nevn to forskjellige beskyttelsesmetoder og forklar hvordan de skal benyttes og hvilke egenskaper de har.

4 Oppgave Instrumenteringsteknikk (%) Et temperaturmålesystem som vist i figuren til høyre skal brukes for måling av temperaturen i området C til C. De tre kurvene i figuren nedenfor viser utgangen, Uo, fra systemet med tre forskjellige verdier av motstanden R : )8Ω, ) 4Ω og ) 6Ω a) Hva kalles temperatursensoren vi benytter i dette målesystemet? V R Sensor Uo b) Bestem ut fra kurvene og opplysningene i oppgaven den omtrentlige motstandsverdien for temperatursensoren for temperaturene, T = i) C ii) 4 C iii) 6 C c) Vis ved enkle skisser endepunktsbasert referansekarakteristikk (bruk vedlegget) for måleområdet C til C for dette målesystemet med: i) R = 8Ω ii) R = 4Ω iii) R = 6Ω d) Hvilken av de tre motstandene bør vi bruke dersom vi ønsker minst mulig linearitetsfeil for området C til C? Beregn omtrentlig lineariteten i C i det beste tilfellet (bruk vedlegget). e) Temperatursensoren har en dissipasjonskonstant, P dis = mw/ C, ved C. Ved denne temperaturen har temperatursensoren motstandsverdien 9Ω. Beregn feilen grunnet selvoppvarming ved C for systemet med R = 6Ω. Hvilken av de tre motstandsverdiene for seriemotstanden R gir minst selvoppvarmingsfeil? Begrunn svaret Spenning ut, Uo [V] Temperatur, T [ grader Celcius ] 4

5 Oppgave 4 Modalregulering (%) Gitt en prosess beskrevet av tilstandsrommodellen : x = x + u, y = [ ] x a) Avgjør om prosessen er i) styrbar ii) observerbar b) Bestem systemets poler og avgjør om denne prosessen er stabil eller ustabil. Systemet skal reguleres med tilstandstilbakekobling : u = -[ g g ]x + g r r, der r er referanse. c) Bestem g og g slik at polene i det tilbakekoblede system er gitt av: s +.77s + = d) Vi ønsker at y = r stasjonært. Bestem g r og transferfunksjonen mellom r og y.

6 Oppgave Multivariabel regulering (%) Vi skal i denne oppgaven undersøke reguleringsegenskapene for et småfly. Vi benytter følgende målinger : y = vertikal hastighet (stigefart) [m/s] y = horisontal hastighet (marsjfart) [m/s] For å styre flyet benytter vi pådragene: u = høyderorsinnstilling [%] u = gasspådrag [%] Vi har funnet sammenhengen mellom pådrag og målinger uttrykt ved transfermatrisen, H(s) : H(s) = s + s +. s + s (s + )( s + ) Flyet går i konstant høyde med konstant horisontal hastighet = m/s. Høyderorsinnstillingen er da % og gasspådraget er 7%. a) Gasspådraget økes nå plutselig til 8% mens høyderorsinnstillingen ikke endres. Hva blir stasjonær hastighet (vertikal og horisontal) etter denne endringen? b) Anta at vi skal lage et automatisk reguleringssystem og at vi ønsker å undersøke muligheten for enkel-sløyfe-regulering. Vis hvordan du ved RGA-analyse kan avgjøre om det er mulig med enkelsløyferegulering for dette flyet. Gitt : RGA-matrisen, Λ = λ λ λ λ, der λ = KK KK KK 6

7 KANDIDATNR.: Side nr.:. VEDLEGG SKISSE FOR BRUK TIL OPPGAVE C OG D Temperatur, T [ grader Celcius ] Spenning ut, Uo [V] 7