TTK 4140 Reguleringsteknikk m/elektriske kretser Dataøving 2

Like dokumenter
TTK 4140 Reguleringsteknikk m/elektriske kretser Dataøving 1

Løsningsforslag Dataøving 2

1 Tidsdiskret PID-regulering

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

nyq Inst. for elektrofag og fornybar energi Fag TELE2001 Reguleringsteknikk Simulink øving 4 Oppstart av Matlab. c:\temp.

Inst. for elektrofag og fornybar energi

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

Del 1. Totank minimum forstyrrelse

Høgskolen i Østfold Avdeling for informasjonsteknologi. Fag ITD Industriell IT. Laboppgave 2. Del 1. Temperatur-regulering

Øving 6, løsningsforslag

EDT211T-A Reguleringsteknikk PC øving 5: Løsningsforslag

Kapittel 6 Stabilitetsanalyse Oppgave 6.1 Stabilitetsegenskap for transferfunksjoner

48 Praktisk reguleringsteknikk

Oppgave 1.1. Den første er en klassiker. Studer figur A4.1 i vedlegg 1. Finn overføringsfunksjonen ved hjelp av manuelle, grafiske metoder.

Control Engineering. Stability Analysis. Hans-Petter Halvorsen

Eksamensoppgave i TELE2001 Reguleringsteknikk

41070 STABILITET I ELKRAFTSYSTEMER

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

Lineær analyse i SIMULINK

Øving 1 ITD Industriell IT

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

Frekvensanalyse av likestrømsmotor med diskret regulator og antialiasing filter

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

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG

Løsningsforslag øving 6

Utledning av Skogestads PID-regler

Control Engineering. MathScript. Hans-Petter Halvorsen

a) The loop transfer function with the process model with a P controller is given by h 0 (s) = h c (s)h p (s) = K p (1 + s)(2 + s) K p

Inst. for elektrofag og fornybar energi

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Løsningsforslag øving 8

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG

Program for elektro- og datateknikk

NTNU Fakultet for teknologi

SCE1106 Control Theory

Simulering i MATLAB og SIMULINK

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Del 1. En klassiker, og en litt mer utfordrende

Slik skal du tune dine PID-regulatorer

Stabilitetsanalyse. Kapittel Innledning

Løsningsforslag oppgavene (Øving 5)

TTK4180 Stokastiske og adaptive systemer. Datamaskinøving 2 - Parameterestimering

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra fagets nettside, og for øvinger brukes It s learning. systemidentifikasjon fra sprangrespons.

Del 1. Linearisering av dynamisk modell

MathScript. Hans- Pe1er Halvorsen, M.Sc.

SIMULERINGSNOTAT. Prosjekt i emnet «Styresystemer og reguleringsteknikk» Gruppe 01. Laget av Torbjørn Morken Øyvind Eklo

LABORATORIEØVELSE C FYS LINEÆR KRETSELEKTRONIKK 1. TILBAKEKOBLING AV 2-ORDENS SYSTEM 2. KONTURANALYSE OG NYQUISTDIAGRAMMER

Frequency Response and Stability Analysis

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Frequency Response and Stability Analysis. Hans- Pe9er Halvorsen, M.Sc.

Reguleringsstrukturer

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Systemidentifikasjon Oppgaver

Eksperimentell innstilling av PID-regulator

,QQOHGQLQJ 3-1/ )DJ 67( 6W\ULQJ DY URPIDUW \ / VQLQJVIRUVODJ WLO YLQJ

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

Spørretime / Oppsummering

Løsningsforslag MAT102 Vår 2018

Program for elektro- og datateknikk

TMA4105 Matematikk 2 Vår 2008

Del 1. Standard overføringsfunksjoner (25%)

Systemidentifikasjon Oppgaver

Tabell 1: Beskrivende statistikker for dataene

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

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

Løsningsforslag oppgavene (Øving 3)

EMAR2101 Reguleringssystemer 1: Øving 3

Dette er et utdrag fra kapittel 6 i boka: Reguleringsteknikk, skrevet av. Per Hveem og Kåre Bjørvik

Inst. for elektrofag og fornybar energi

Svingninger i en elektrisk RCL-krets med og uten påtrykt vekselspenning.

1. Åpen sløyfefunksjon når den langsomme digitale regulatoren er en P-regulator.

Program for elektro- og datateknikk

MAT-INF 1100: Obligatorisk oppgave 1

Contents. Oppgavesamling tilbakekobling og stabilitet. 01 Innledende oppgave om ABC tilbakekobling. 02 Innledende oppgave om Nyquist diagram

Del 1. Standard overføringsfunksjoner (25%)

Eksamensoppgave i TELE2001 Reguleringsteknikk

KYBERNETIKKLABORATORIET. FAG: Dynamiske systemer DATO: OPPG.NR.: DS4E. FREKVENS OG SPRANGRESPONSANALYSE Med ELVIS

Inst. for elektrofag og fornybar energi

Matematikk 1 Første deleksamen. Løsningsforslag

ELEKTRONIKK 2 DAK-ØVING 6 Endre i transistormodell, DCsvip, AC-svip, impedans 2004

MAT-INF 1100: Obligatorisk oppgave 1

KYBERNETIKKLABORATORIET. FAG: Dynamiske systemer DATO: OPPG.NR.: DS4 FREKVENS OG SPRANGRESPONSANALYSE

Løsning til eksamen i EE4107 Kybernetikk- videregående

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

Plotting av data. Kapittel Plott med plot-funksjonen

Kommentarer til eksempelinnleveringene

NTNU Fakultet for teknologi

NTNU. TMA4105 Matematik 2 våren Maple-øving 1. Viktig informasjon. Institutt for matematiske fag. maple01 1.

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

Case: Analyse av passive elektriske filtre

Prosjektoppgave i Ingeniørfaglig yrkesutøving og arbeidsmetoder - orientering om prosjektet

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra fagets nettside, og for øvinger brukes canvas.

Løsningsforslag øving 4

Reguleringsteknikk Sammendrag REVISJON ØRJAN LANGØY OLSEN

Stabilitetsanalyse i MATLAB og LabVIEW

Oblig 1 FYS2130. Elling Hauge-Iversen

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

Tilstandsestimering Oppgaver

Transkript:

NTNU Norges teknisknaturvitenskapelige universitet Institutt for teknisk kybernetikk vårsemesteret 2004 TTK 4140 Reguleringsteknikk m/elektriske kretser Dataøving 2 Fiskelabben G-116/G-118 Uke 16: Onsdag 14. april kl. 16.00-20.00 Uke 17: Onsdag 21. april kl. 16.00-20.00 Uke 18: Onsdag 28. april kl. 16.00-20.00 Det er veiledning 17.00-20.00 Innlevering : Fredag 30. april kl. 14.30. Innledning I denne dataøvingen skal vi se nærmere på det samme systemet som ble behandlet i Dataøving 1. Det vil ikke bli bruk for noe av det dere laget der, men vi skal istedet se på andre aspekter ved systemet. Frekvensanalyse og regulatordesign vil være sentralt Praktisk gjennomførelse Fiskelabben finner dere bak EL5. Det vil være studasser tilstede på labben i de oppsatte tidene. For å få utnyttet ressursene bedre, skal øvingene gjøres i grupper på 2-3 personer. Disse organiserer dere selv. Benytt gjerne samme gruppe som dataøving 1. Det er mulig at noen vil finne enkelte oppgaver ganske vanskelige, kanskje spesielt når det gjelder implementasjonen i Matlab. Ikke være redd for å spørre om hjelp! Hvis det likevel skulle bli altfor mye å gjøre bør det fremgå av rapporten hva som var vanskelig og hvorfor dere ikke har gjort det. Som en hovedregel vil besvarelser hvor mindre enn halvparten av oppgavene ikke er gjennomførte ikke bli godkjent. Dere skal levere én rapport pr. gruppe i innleveringsboksene i kjelleren, og aktuelle grafer skal legges ved. Dette betyr ikke at absolutt alle grafer skal skrives ut, men heller et representativt utvalg. Ingen krever at man skal gjøre all verden ut av rapporten, men den skal klart og tydelig vise at dere har forstått oppgavene. Husk å skrive navn, avdeling, årskurs, e-mail adresse (for alle gruppemedlemmer) på besvarelsen. side 1

Matlab Det er svært viktig at dere har satt dere litt inn i Matlab før dere begynner på øvingen. Ett godt utgangspunkt finner dere på ; http://www.itk.ntnu.no/fag//ttk4140/nyttig/matlab_lenker.pdf Help-funksjonen i Matlab er også nyttig. Teori Som tidligere nevnt, er det varmluftsrøret fra dataøving 1 som representerer systemet vårt denne gangen også. I D1 fant vi at følgende forenklede blokkdiagram kunne representere systemet (hvis vi ser bort fra forstyrrelsen): u h p (s) Θ e τs y Figur 1: Systemet som transferfunksjon og tidsforsinkelse Transferfunksjonen h p (s) skulle finnes på forrige øving. Skrevet ut med tallverdier blir det: h p ( s) = ----------------------------------- 1 0,177s + 0,248 Denne skal vi anta kjent her. Tidsforsinkelsen skulle være τ = 0,2818, og denne skal tilnærmes med en Padèapproksimasjon av 2. orden i denne oppgaven. Systemet skal reguleres med en begrenset PID-regulator, og denne kan skrives som : ( T h r ( s) K i T f + T i T d )s 2 + ( T i + T f )s + 1 = p --------------------------------------------------------------------------- T i T f s 2 + T i s lign.(1) Oppgave 1: Ziegler-Nichols lukket-sløyfe-metode I denne oppgaven skal vi finne en god regulator for systemet vha. Ziegler-Nichols metode for lukkede sløyfer (se 9.3.2 i læreboken). Følgende m-fil kan lagres som f.eks. init2.m på din egen katalog: side 2

init2.m % Initieringsfil til dataoeving 2 i fag TTK4140 % Prosessens transferfunksjon funnet i dataoeving 1 thp=1; % Teller hp nhp=[0.1770 0.2480]; % Nevner hp % Regulatorparametre Kp=0; Ti=1000000; % Satt stor i starten = Uendelig Td=0; % Regulatorens transferfunksjon Tf=Td/10; % Vanlig antakelse for begrensningen thr=kp*[(ti*tf+td*ti) (Ti+Tf) 1]; % Teller hr nhr=[ti*tf Ti 0]; % Nevner hr % Padeapproksjimasjon av tidsforsinkelse tau=0.2818; [tpade,npade]=pade(tau,2); % 2.ordens tilnaermelse % Sloeyfetransferfunksjonen th0=conv(thr,thp); th0=conv(th0,tpade); nh0=conv(nhr,nhp); nh0=conv(nh0,npade); Her er transferfunksjonene representert ved tellere og nevnere, noe som er hensiktsmessig i Matlab. Denne filen bør som sagt ligge under din egen katalog, f.eks. D:\user\<dittnavn> Se D1 for nærmere informasjon. Husk at denne filen må lagres og kjøres for hver gang du forandrer noe i den. Til å begynne med er det kun regulatorparametrene som trengs å forandres. Det er også lurt å lage følgende modell i Simulink: side 3

Alle nødvendige byggeklosser skal finnes i bibliotekene. Merk spesielt bruken av Workspace og Clock. Disse sender variable direkte til Matlab. Legg også merke til at vi ikke har tatt med noen forstyrrelse i systemet slik som forrige gang. Referansen ( Step -boksen) kan settes til å starte på verdien 10 for så å sprette opp til verdien 12 etter 5 tidsenheter. For å se grafen kan man nå gå i Matlabvinduet og skrive: >> plot(t,y) Ellers kan det være nyttig å gjøre bruk av kommandoene: grid, xlabel, ylabel, title, axis og zoom. Skriv f.eks.: >> help zoom for å få mer hjelp. For å forandre aksene kan man benytte kommandoen: >> axis([<x1> <x2> <y1> <y2>]) Flere grafer kan plottes i samme vindu hvis en benytter hold-kommandoen. Videre kan man få frem flere forskjellige figurvinduer ved å benytte: figure(<nr>) Prøv dere frem og spør studass hvis det blir for vanskelig! side 4

a.) Nedenfor er gitt transferfunksjonen for en PID-regulator med begrenset derivatvirkning: u --------- ( s) e( s) K K K ------ p p T d s = + + ---------------- p T i s T f s + 1 Vis at denne transferfunksjonen kan skrives som ligning (1). b.) Bruk Ziegler-Nichols metode til å finne en best mulig PID regulator for systemet. Simuler og se at regulatoren virker. Hvorfor velger man som oftest en regulator med begrenset derivatvirkning? Tips: La T i = og T d =0 (dvs. negliser integral og derivat leddene). Skru på regulatorforsterkningen K p inntil vi får stående svingninger på utgangen. Noter denne K p -verdien, som kalles for den kritiske forsterkningen K p,k. Ut fra plottet, finn perioden T k for de stående svingningene. Beregn så regulatorparametrene ut fra tabellen i boken om Ziegler-Nichols. c.) Finn også regulatorparametre for PI og P-regulatorer. Implementer disse og se om det er noen forskjell i systemets tidsforløp. Kommenter og forklar hvorfor vi har statisk avvik når vi bruker P-regulator. d.) Hvis referansen hadde vært en rampefunksjon istedet for et sprang, ville PID-regulatoren fått statisk avvik? Forklar (simulering trengs ikke.). Oppgave 2: Regulatordesign I den vedlagte m-filen er det illustrert hvordan man kan finne teller og nevner til sløyfetransferfunksjonen h 0 (s). Når man har disse, kan MATLAB hjelpe oss med å analysere systemet. De fleste funksjoner som er tilgjengelige der kan kalles på følgende måte: >> funksjonsnavn(teller,nevner) Viktige funksjoner nå vil bl.a. være: bode og margin. a.) Tegn opp bodediagrammet til sløyfetransferfunksjonen h 0 (s). Hva er systemets båndbredde? b.) Finn forsterkningsmarginen og fasemerginen til systemet. Skru på K p slik at man oppnår 6dB forsterkningsmargin. Hva blir den nye K p? Hvorfor ønsker man å spesifisere slike marginer når man designer en regulator for et system? c.) Simuler systemet med den nye K p. Blir innsvinget til stasjonærverdien raskere eller tregere? Hvorfor? d.) Tegn opp det nye bodediagrammet og kommenter den nye båndbredden til systemet i forhold til den gamle. Hvilke motstridende ønsker møter vi på når båndbredden og forsterknings/ fasemargin skal spesifiseres? e.) Tenk på frekvensinnholdet til den Fouriertransformerte av et enhetssprang. Kan du ut fra side 5

dette si noe om sammenhengen mellom hastigheten til innsvingningsforløpet og båndbredden til systemet? Bruk den nye regulatoren i de videre oppgavene! Oppgave 3: Følgeforhold og sensitivitet Vi skal nå se litt på følgeegenskaper og sensitivitet til systemet. For å implementere funksjonene T(s) og S(s)=1-T(s) vil det være lurt å skrive h 0 (s) som en brøk og herfra utlede uttrykk for disse. Når en så har funnet uttrykket vil det bli behov for å legge sammen tellervektoren og nevnervektoren til h 0 (s), men disse har sannsynligvis forskjellige lengde. For å utvide f.eks. tellervektoren med en null i starten (den har jo ingen innvirkning) kan man skrive følgende: >> th0=[0 th0] Det vil også være behov for å tegne opp følgende system i Simulink: Vi skal nå først konsentrere oss om følgenegenskapene, så amplituden til forstyrrelsen kan settes til null (dobbelklikk på Sine Wave -boksen for å forandre). Poenget her er altså at vi av en eller annen grunn vil ha temperaturen i varmluftsrøret vårt til å forandre seg med en gitt hastighet. Den ønskede temperaturen er (som du sikkert skjønner) referansen. Vi skal nå benytte frekvensanalyse for å se hvor raskt vi kan forandre referansen samtidig som regulatoren klarer å forandre utgangen y. a.) Tegn opp et bodeplott av følgeforholdet til systemet. For hvilke frekvenser har vi gode følgeegenskaper (husk at 0dB=1...)? Vi skal nå teste dette ut, og skrur litt på parametrene til referanse-sinusen. Sett ampituden til 1. side 6

Det kan også bli nødvendig å forandre sluttid for simuleringene. Denne kan forandres ved å gå inn i rullegardinmenyen Simulation og velge Parameters. For å plotte både referansen og utgangen i samme figur kan man f.eks. skrive: >> plot(t,y, -,t,r, -- ) Her vil utgangen være en heltrukken linje mens referansen er stiplet. b.) Sjekk om resultatet fra forrige deloppgave stemmer ved å prøve forskjellige frekvenser på referansesinusen. Husk at gode følgeegenskaper betyr at referansen og utgangen er like i tallverdi og uten tids- (fase-)forskyvning. Nå er det tid for å se på sensitiviteten for støy. Sett amplituden til referansen lik null, og amplituden til forstyrrelsen lik 0.5. Her tenker vi oss at en støykilde (f.eks. en annen varmekilde) påvirker temperaturen i varmluftsrøret. Målet er å undersøke om vår regulator kan begrense innvirkningen av denne. c.) Tegn opp et bodeplott av sensitivitetsfunksjonen til systemet. For hvilke frekvenser på støykilden klarer regulatoren vår å undertrykke innvirkningen? (Husk at veldig negativ desibelverdi <<1 i tallverdi.) Også dette skal vi verifisere ved forsøk på det egentlige systemet. d.) Skru på frekvensen til støy-sinusen og verifiser at vi har lav sensitivitet for forstyrrelse for de frekvensene du fant i forrige deloppgave. e.) Tenk på bodeplottet fra oppgave 1d). Kunne man ut fra dette ha funnet omtrentlig frekvensområde for gunstige T(s) og S(s)? Oppgave 4: Stabilitetsanalyse Vi skal her se litt på systemets stabilitetsegenskaper. Allerede i oppgave 1 spesifiserte vi robusthetskrav til systemet (forsterkningsmargin og fasemergin) da vi lagde regulatoren. For å se hvor polene til systemet ligger i det komplekse planet kan vi skrive: >> roots(nt) hvor nt er nevneren til T(s). Dette vil gi oss røttene til nevneren i transferfunksjonen fra referansen til utgangen, altså T(s). Dette er røttene til 1+h 0 (s), og disse vil som kjent være lik egenverdiene til A-matrisa når systemet er på tilstandsromform. 1+h 0 (s) er forøvrig et vedlig sentralt uttrykk når man undersøker stabilitet. a.) Finn polene til systemet. Systemets transferfunksjon, h p (s), er av 1. orden og regulatoren har bare 2. ordens s-ledd i nevneren, hvorfor får du likevel fem poler? b.) Hvordan kan du ut fra polenes beliggenhet si at systemet er stabilt? side 7

Vi skal nå se på Nyquistkurven til systemet. Skriv følgende for å få den frem: >> w=logspace(-1,1,100); >> sys=tf(th0,nh0); >> nyquist(sys,w); Vær oppmerksom på at dette kun viser deler av kurven! c.) Argumenter ut fra Nyquists stabilitetskriterium at systemet er stabilt. TIPS: Se læreboken kapittel 8.4. Argumenter også ut fra bodeplottet til h 0 (s) at systemet er stabilt. La oss gjøre systemet ustabilt. Forandre forsterkningen K p i regulatorparametrene til en verdi som gjør at systemet aldri svinger seg inn. Prøv f.eks. K p =1.9. Hvis du vil plotte polenes beliggenhet kan du f.eks. skrive: >> plot(roots(nt), x ),grid d.) Hva blir de nye polene? Simuler systemet med den første simulinkmodellen og verifiser at systemet ikke svinger seg inn til en stasjonærverdi. e.) Tegn opp Nyquistkurven til systemet nå. Argumenter ut fra denne at systemet er ustabilt. Forklar også ut fra bodeplottet til h 0 (s) at systemet har blitt ustabilt. Et delmål med øvingen har vært å demonstrere viktigheten og anvendeligheten til sløyfetransferfunksjonen h 0 (s). Tenk gjennom hvor mange deloppgaver denne har vært i bruk, og husk på alle disse bruksområdene når eksamen nærmer seg! side 8