Løsning til eksamen i EK3114 Automatisering og vannkraftregulering ved Høgskolen i Sørøst-Norge

Like dokumenter
Løsning til eksamen i IA3112 Automatiseringsteknikk ved Høgskolen i Sørøst- Norge

Løsning til eksamen i IA3112 Automatiseringsteknikk

Løsning til sluttprøve i EK3114 Automatisering og vannkraftregulering ved Høgskolen i Telemark

Løsning til sluttprøve i IA3112 Automatiseringsteknikk ved Høgskolen i Telemark

Løsning til eksamen i IA3112 Automatiseringsteknikk ved Høgskolen i Sørøst- Norge

Løsningsforslag til sluttprøven i emne EK3114 Automatisering og vannkraftregulering

EKSAMENSFORSIDE Skriftlig eksamen med tilsyn

Løsning til eksamen i IA3112 Automatiseringsteknikk

Løsning til eksamen i EK3112 Automatiseringsteknikk for elkraft

Løsningsforslag til sluttprøven i emne IA3112 Automatiseringsteknikk

SLUTTPRØVE. EMNEANSVARLIG: Finn Aakre Haugen. Tlf Epost: Antall sider: 15 (medregnet denne forsiden)

Foroverkopling. Kapittel Innledning

SLUTTPRØVE. EMNEANSVARLIG: Finn Aakre Haugen. Tlf Epost: Antall sider: 14 (medregnet denne forsiden)

EKSAMENSFORSIDE Skriftlig eksamen med tilsyn

EKSAMENSFORSIDE Skriftlig eksamen med tilsyn

So303e Kyb 2: Løsning til øving 11

EKSAMENSFORSIDE Skriftlig eksamen med tilsyn

Formelliste til boken Reguleringsteknikk

Modellbasert regulering: Foroverkopling

Reguleringsteknikk. Finn Aakre Haugen. 16. juni 2014

EMAR2101 Reguleringssystemer 1: Løsning til øving 3

Finn Haugen. Oppgaver i reguleringsteknikk 1. Nevn 5 variable som du vet eller antar kan være gjenstand for regulering i industrianlegg.

EKSAMENSOPPGAVE. Høgskolen i Telemark. EMNE: IA3112 Automatiseringsteknikk. EMNEANSVARLIG: Finn Haugen (tlf ). EKSAMENSTID: 5 timer

Kapittel 6 Stabilitetsanalyse Oppgave 6.1 Stabilitetsegenskap for transferfunksjoner

Spørretime / Oppsummering

SLUTTPRØVE. Høgskolen i Telemark. EMNE: EK3114 Automatisering og vannkraftregulering. EMNEANSVARLIG: Finn Aakre Haugen (tlf ).

EKSAMENSOPPGAVE. Høgskolen i Telemark. EMNE: EK3112 Automatiseringsteknikk for elkraft. EMNEANSVARLIG: Finn Haugen (tlf ).

Reguleringsstrukturer

EKSAMENSFORSIDE Skriftlig eksamen med tilsyn

48 Praktisk reguleringsteknikk

EMAR2101 Reguleringssystemer 1: Øving 3

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

1 Tidsdiskret PID-regulering

Eksperimentell innstilling av PID-regulator

Eksamensoppgave i TELE2001 Reguleringsteknikk

SLUTTPRØVE. Høgskolen i Telemark. EMNE: IA3112 Automatiseringsteknikk. EMNEANSVARLIG: Finn Aakre Haugen (tlf ). TID: 5 timer

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

ù [rad/sek] h O [db] o o o o o o o o o o o

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Løsningsforslag til eksamen i TELE 2008A Styresystemer og reguleringsteknikk 26/ s.1 av 16

Del 1. Skisse av reguleringsteknisk system


HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG

Høgskoleni østfold EKSAMEN. Emnekode: Emne: ITD30005 Industriell IT. Dato: Eksamenstid: kl til kl. 1300

Eksamen i SEKY3322 Kybernetikk 3

KONTINUASJONSEKSAMEN I FAG TEP 4140 STRØMNINGSLÆRE 2 Dato??. august 2004 Tid: kl. 09:00 14:00

Control Engineering. State-space Models. Hans-Petter Halvorsen

Finn Haugen. Reguleringsteknikk. 100 NOK techteach.no/shop. TechTeach. techteach.no

Artikkelserien Reguleringsteknikk

Eksperimentell innstilling av PID-regulator

Del 1. Linearisering av dynamisk modell

Simuleringsnotat. Prosjekt i emnet «Styresystemer og reguleringsteknikk» Gruppe 6. av Stian Venseth og Kim Joar Øverås

Inst. for elektrofag og fornybar energi

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Løsningsforslag oppgavene (Øving 3)

Løsningforslag til eksamen i emnet MAS107 Reguleringsteknikk holdt torsdag 31. mai 2007

Løsning til eksamen i EE4107 Kybernetikk- videregående

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG

Løsningsforslag øving 8

Tilstandsrommodeller. Hans- Pe1er Halvorsen, M.Sc.

Control Engineering. Stability Analysis. Hans-Petter Halvorsen

Øving 6, løsningsforslag

Løsningsforslag øving 4

Løsningsforslag til eksamen i EDT211T Styresystemer og reguleringsteknikk 27/ s.1 av 12

Motor - generatoroppgave II

AVDELING FOR INGENIØRUTDANNING EKSAMENSOPPGAVE

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi STYRESYSTEMER OG REGULERINGSTEKNIKK

Kap. 1 Fysiske størrelser og enheter

Simuleringsalgoritmer

KYBERNETIKKLABORATORIET. FAG: Dynamiske systemer DATO: OPPG.NR.: DS3 MOTOR GENERATOROPPGAVE I

Stabilitetsanalyse. Kapittel Innledning

Slik skal du tune dine PID-regulatorer

Frekvensanalyse av likestrømsmotor med diskret regulator og antialiasing filter

Dato: Tirsdag 28. november 2006 Lengde på eksamen: 4 timer Tillatte hjelpemidler: Kun standard enkel kalkulator, HP 30S

ANLEGGSDATA - SKOGADALSBØEN KRAFTVERK

Norsk kraftproduksjon

Formelsamling i Regtek. Andreas Klausen. (Kontrollør Sondre S. Tørdal) 4. september 2012

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN STE 6251 Styring av romfartøy

ANLEGGSDATA - MEMURUBU KRAFTVERK

Stabilitetsanalyse. Hans- Pe/er Halvorsen, M.Sc.

Lineær analyse i SIMULINK

EDT211T-A Reguleringsteknikk PC øving 5: Løsningsforslag

Utfordringer i vannvegen

Kapittel 5. Frekvensrespons. Beregningavfrekvensresponsfrasignaler. Figur 25 viser sammenhørende inngangssignal og utgangssignal for et system.

Kurs TEP4195 TURBOMASKINER

Hva betyr turbinen for inntekten?

Turbiner - Virkningsgrader og slukeevne

UTSETT EKSAMEN VÅREN 2006 SENSORTEORI. Klasse OM2 og KJK2

Varmere, våtere, villere økt produksjon eller vann over dammen?

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi STYRESYSTEMER OG REGULERINGSTEKNIKK

NB! Vedlegg 2 skal benyttes i forbindelse med oppgave 3a), og vedlegges besvarelsen.

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Konsesjonssøknad for Dalsfos kraftverk. Endringer november 2016

Vedlegg til retningslinjer for fos 8a

TTK 4140 Reguleringsteknikk m/elektriske kretser Dataøving 1

Systemidentifikasjon Oppgaver

Sammenlikningav simuleringsverktøyfor reguleringsteknikk

EKSAMEN Styring av romfartøy Fagkode: STE 6122

Transkript:

Løsning til eksamen i EK3114 Automatisering og vannkraftregulering ved Høgskolen i Sørøst-Norge Eksamensdato: 24.11 2017. Varighet 5 timer. Emneansvarlig: Finn Aakre Haugen (finn.haugen@usn.no). Løsning til oppgave 1 a (5%). Se figur 1. Sprang: Sprangrespons: U u(t) System 100% 63% y mf (t) KU 0 0 t Tidskonstant med tidsforsinkelse 0% 0 T Tidsforsinkelse Tidskonstant t Figur 1 b (5%). Se figur 2. Sprang: Sprangrespons (= rampe): Positiv K i U u(t) 0 0 t Integrator y(t) Stigningstall S=K i U (enhet f.eks. %/sek) 0 t Negativ K i Figur 2 1

Løsning til oppgave 2 (5%) Aktivt D-ledd gir relativt støyfylt pådrag. Målefilter demper målestøy og reduserer dermed pådragsstøy. Derfor: Tidsintervall 1: PID-regulator uten målefilter Tidsintervall 2: PID-regulator med målefilter Tidsintervall 3: PI-regulator med målefilter Løsning til oppgave 3 a (3%) Massebalanse for væsken i tanken: ρa dh dt = ρf in ρf out der ρ [kg/m 3 ] er væskens tetthet. Forkorting av ρ gir den gitte modellen (en differensiallikning). b (5%) Under statiske forhold er de tidsderiverte null. Her: dh/dt = 0, hvilket gir følgende statiske modell: 0 = F in K p (h sp h) som gir h s = h sp F in K p c (5%) Laplacetransformasjon av reguleringssystemets differensiallikningsmodell gir A[sh(s) h 0 ] = F in (s) K p [h sp (s) h(s)] Her kan vi sette initialverdien h0 lik null og dessuten anta at F in er null, siden disse to størrelsene ikke influerer på transferfunksjonen fra h sp til h. Likningen blir da Ash(s) = K p [h sp (s) h(s)] som, ganske riktig, gir h(s) h sp (s) = K p = M(s) As K p d (5%) Vi starter med å skrive M(s) på standardformen for transferfunksjonen for tidskonstantsystemer: M(s) = Reguleringssystemets tidskonstant er K Ts + 1 = K p As K p = 1 ( A/K p )s + 1 T c = A K p e (3%) Polen er s-løsningen av transferfunksjonens karakteristiske likning: 2

As K p = 0 som har løsning (pol): f (4%) s = p = K p A Svaralternativ 1: Reguleringssystemet er stabilt dersom alle polene i følgeforholdet ligger i venstre halplan, dvs. har strengt negativ realverdi. Dette er oppfylt med strengt negativ K p siden p (systemets eneste pol) da blir strengt negativ. Svaralternativ 2: Det er nødvendig at reguleringssystemet er satt i riktig modus (reversmodus eller direktemodus) for at systemet skal være stabilt. For nivåreguleringssystemet: Anta at nivået øker noe i forhold til settpunktet. For å bringe nivået ned igjen til settpunktet, må pumpepådraget øker. Situasjonen er med andre ord «måling opp - pådrag opp», hvilket tilsier direktevirkning, altså negativ regulatorforsterkning. Løsning til oppgave 4 (10%) a (7%) Se figur 3. Foroverkoplingen utgjør en (teknisk) kopling fra en måling av forstyrrelsen som motvirker den naturlige koplingen fra forstyrrelsen til prosessutgangen slik at nettovirkningen som forstyrrelsen har på prosessutgangen, blir null (ideelt sett). Foroverkoplingen implementerer også en direkte kopling fra settpunktet til pådraget, hvilket gir presis settpunktsfølging. Pga. uunngåelig modellunøyaktighet (eller modellfeil) kan foroverkoplingen i praksis ikke beregne det perfekte pådraget, hvilket medfører at det oppstår et reguleringsavvik. Tilbakekoplingen vil justere pådraget på basis av dette avviket og dermed kunne redusere avviket, og gi null avvik under statiske forhold. Figur 3 3

b (3%) Eksempler på prosessforstyrrelser: Utetemperatur (eks. på prosess: bioreaktor). Innløpstemperatur (f.eks. bioreaktor). Luftstrømning (f.eks. varmluftrør). Vind (skip). Vannstrøm (skip). Løsning til oppgave 5 Løsning til oppgave 6 (5%) Ziegler-Nichols metode: Kpu = 1,0 og Pu = 12 min, som gir Kp = 0,45*Kpu = 0,45*1,0 = 0,45 og Ti = Pu/1,2 = 12 min/1,2 = 10 min. Relaxed Ziegler-Nichols metode: Kp = 0,32*Kpu = 0,32*1,0 = 0,32 og Ti = Pu = 12 min. Hvis reguleringssystemet får for dårlig stabilitet, kan du prøve med redusert Kp-verdi, f.eks. halv verdi. Løsning til oppgave 7 (5%) Temperatur: Termoelement. Motstandstermometer. Væskestrøm (-flow): Termisk. Coriolis. Ultralyd (doppler). Måleblende. (Her er det angitt fire sensortyper, men det er tilstrekkelig å angi to.) Nivå: Ultralyd. dp-celle (for måling av nivåavhengig hydrostatisk trykk). Løsning til oppgave 8 (5%) 4

Løsning til oppgave 9 (20%) a) (2%) Benytter Mannings formel; hastighet i røret er 2,4/0,8 = 3 m/s. dh = (3/90) 2 900 * 6 m = 6 m. b) (2%) P aktiv effekt i W. er vannets tetthet i kg/m3 er turbinvirkningsgrad; dimensjonsløst <=1 g er tyngdens akselerasjon m/s2 Q er vannføring gjennom turbinen i m3/s H er netto fallhøyde fra vannoverflate i kraftverkets inntak til turbinens undervann som måles m. c) (3%) P = 1000 kg/m3 * 9 m/s2 * 2,4 m3/s * 100 m = 21,6 * 10 5 W = 2,16 MW. d) (3%) Midlere årlig vannforbruk i kraftverket er produksjon i GWh / Energiekvivalent = 12*10 6 kwh / 0,25 kwh/m3 = 48 mill. m3. Tilsvarende midlere flomtap vil da være resten; 60 48 mill. m3 = 12 mill. m3 (pr. år). Løsning til oppgave 10 (20%) a) (2%) Fra formel for akselerasjonstid får vi: J = 10s * 50*10 6 W / 50 2 s -2 = 0,2 * 10 6 kg m2. b) (2%) Moment = P / = 50 MW / 50 (1/s) = 50 MN. c) (2%) Kinetisk energi Eko = ½ J 2 = 0,5 * 0,2 * 10 6 kg m 2 * 50 2 (1/s) 2 = 250 MJ. d) (2%) Betrakter systemet tapsfritt. Lastpåslaget utgjør 2,5 MW * 20 s = 50 MWs = 50 MJ. Resultatet for rotasjonen blir da: Ek1 = (250 50) MJ = 200 MJ. e) (3%) f1/fo = 1 / o = (Ek1 / Eko) = (200/250) = 2 / 5 = 0,89. f) (3%) Frekvensfall skyldes enten lastpåslag eller bortfall av produksjon, f.eks. en generator. g) (3%) Beregnes fra formel for statikk: dp = -df * Pn / (R * fn) =-(-0,1 Hz) * 50 MW / 10% * 50 Hz = = 1 MW. h) (3%) Regulerstyrke beregnes som sum regulerstyrke i alle sammenkoblede delsystemer; her har vi to samkjørende nett + 'vårt aggregat'. Regulerstyrke for aggregatet regnes fra formel for statikk: i = -dp/df = Pn / (R fn) = 50 MW/(10 % * 50 Hz) = 10 MW/Hz. Samlet regulerstyrke blir da = (100 + 10) MW/Hz = 110 MW/Hz. 5