Program for elektro- og datateknikk

D:\Per\Fag\Regtek\Oppgavebok\2b Simulinkøvinger\06_SIMULI1_2014a_v2.wpd Program for elektro- og datateknikk Utarbeidet: PHv Fag TELE2001 Reguleringsteknikk Revidert sist: PHv, Sept 2014 Simulink øving 1. Målsetting: Hensikten med denne oppgava 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 som oppdateres litt omtrent hvert halvår. Noen ganger er oppdateringene til det bedre, men ikke alltid. Oppdateringen til R2014a er en mindre oppdatering når det gjelder brukergrensesnittet. I forhold til Simulinkøvingene 1 til 4 er forskjellene relativt små i forhold til Matlab R2013a, men ganske store i forhold til Matlab R2012a. Har du versjon R2012a eller tidligere bør du oppdatere Matlab. I dagens øving skal programmet hjelpe deg til å forstå hvordan variasjoner i P-forsterkinga i regulatoren påvirker oppførselen og stabiliteten til reguleringssløyfa. Rapportering: Gjennomgangen av denne oppgava skal dokumenteres i form av et word-dokument som leveres inn seinest ei uke etter den timeplanlagte kjøringa på datasalen. Dette dokumentet skal inneholde korte svar på alle spørsmålene i oppgava og de figurene du blir bedt om å lime inn i dokumentet. NB! Det skal stå navn på alle gruppemedlemmer (maks 3) og dato påført alle figurer allerede i Matlab.. Hjelp: Ikke alle detaljer i Simulink vil blir forklart her. Det følger med gode hjelpefiler til Matlab R2014a. Hjelpefilene startes opp ved å velge MATLAB Help...under Help i Matlab eller Simulink. 1. Oppstart av Matlab. Simulink er en del av Matlab. For å starte opp Simulinkmodellen må du først starte opp Matlab. Før du starter opp jobbinga i Matlab 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. NB! Ikke bruk nettkatalogen din fordi det fører til stor nett-trafikk og sein simulering! Vent med å kopiere filene du vil ta vare på til du er ferdig med dagens øving. 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. Finn fram til og velg c:\temp katalogen. d) Dersom du vil se på innholdet i denne katalogen kan du se i sidevinduet som heter Current Folder. 2. Oppstart av Simulink og ferdig Simulinkmodell. Ferdige simulinkmodeller startes direkte fra Matlabs kommandovindu ved å skrive navnet til modellen og dermed 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 pl as s ert på kat alogen 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: 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. b) I dette vinduet finner du fram til katalogen du ønsker å inkludere i søkestien. I vårt tilfelle er det K:\Fag\AFT\EDT\_FAG\REGTEK1. Du må klikke på denne katalogen for å få valgt Side 53

2 Simulink øving 1 den. 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. NB! På skolens maskiner er Matlab-katalogen skrivebeskytta. Du får derfor ikke lagra søkestien til neste gang. 3 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. NB! Du må klikke i vinduet for å få farger i menylinja øverst. b) Innstilling av simuleringsparametre. 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 simuleringa. Det gjør du ved å klikke på trekant-ikonet 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 venstre. Det dukker ikke alltid opp noen kurver med en gang, men du kan dobbeltklikke på Scope-blokka. Side 54

Simulink øving 1 3 d) Autoskalering. Som du ser er ikke aksene særlig lurt valgt. Dette kan du endre på ved å trykke på autoskalerings-ikonet på menyen på toppen. Gjør du det skal aksene tilpasse seg kurvene på den best mulige måten. Etter at du har trykket på kikkertikonet bør figuren se ut som her. Prøv de forskjellige forstørrelsesglass-ikonene for å zoome inn nærmere på kurvene. Bruk autoskalerings-ikonet for å komme tilbake. e) Manuell skalering av Y-aksen og påsetting av overskrift. Dersom du ønsker å tvangssette y-aksen kan du gjøre det ved å klikke med høyre museknapp 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. Dersom du vil ha en overskrift på skopvinduet kan du skrive denne i feltet som er merka 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 så vil dialogboksen lukke seg. Innleverte simulinkøvinger skal ha dato og navn på alle gruppedeltakerne (maks 3) påført alle figurer allerede i Matlab for å bli godkjent. Sett derfor inn dette som overskrift på skop-vinduet ditt allerede nå. Da sparer du litt arbeid seinere. f) Manuell skalering av tidsaksen. Dersom du ønsker å tvangssette tids-aksen kan du gjøre det ved å velge Parameters-ikonet som står øverst som nr 2 fra venstre dvs:. I 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 axis og Tick labels. Trykker du på fanen Style kan du endre på farger m.m. g) Kopiering av kurver fra skopvindu til figurvindu. Dersom du vil behandle kurvene dine og f eks lime dem inn i et Word-dokument, så er det ikke mulig fra skop-vinduet. Heldigvis er det mulig å flytte kurvene over i et skikkelig figurvindu (graf-vindu) for viderebehandling. Dette gjør du enklest ved å bruke den ferdige blokka i Simlab1-vinduet hvor det står: ph Dobbeltklikk her... (Blokker og funksjoner som starter med ph er ikke standard i Matlab og Simulink, men laget/forbedret av Per Hveem for å gjøre enkelte ting bedre eller enklere.) Den sikreste måten å få fram rette skop-bildet på er å dobbeltklikke i blokka først og deretter dobbeltklikke på blokka til det skopet du vil ha kopiert over. Deretter trykker du return. NB! På noen PC er er det nødvvendig å klikke et vilkårlig sted i Matlabs kommandovindu før du trykker på return. Nå skal du ende med figurvinduet som vist. (Blokka ph Dobbeltklikk her... kaller opp funksjonen phprintscope.m på Regtek1-katalogen.) 4 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.) Dersom du klikker midt i diagrammet skal du få fram noe som likner på figuren på neste side: Side 55

4 Simulink øving 1 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 skal det stå: Normaliserte verdier Sett følgende overskrift: Nivåregulering av tank. + Navnet på deltakerne i gruppa+dato. c) Tekst, piler og bokser kan settes på diagrammet ved først å klikke på et av f ø l g e n d e i k o n e r og så klikke i figuren. Navn på kurvene med pil setter du da ved å trykke på Text Arrowsymbolet. Når du drar mu sem ark ø ren over diagrammet skal den nå ha skifta til et svart kryss. Klikk med venstre musetast der du vil at teksten skal stå og trekk deretter pila ned til f eks nivåkurva. Etterpå skriver du inn tekst i det hvite feltet der pila starter. 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 endre ved å klikke på en kurve og så gå inn i Property Editorvinduet. Lyse farger er veldig dårlig på utskrift, sjøl om du bruker fargeskriver. Eksperimenter litt med farger og linjebredder. e) Figur over til tekstbehandlingsprogram kan gjøres på forskjellige måter. Den enkleste er er å kopiere over figuren til klippebordet som Windows metafile og deretter lime den inn i tekstbehandlingsprogrammet direkte. Dette gjøres under Edit og valget Copy figure. Sjekk først valget Copy options og sjekk 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. Kopier figuren din over til Word Side 56

Simulink øving 1 5 5. 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 signal-linjer (forbindelseslinjer). Hvordan dette gjøres skal du lære i neste Simulinkøving, men det er ganske enkelt for den som har brukt et teikneprogram. b) Superblokker. For å få et ryddigere 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 infoboksen som dukker opp når musemarkøren plasseres på blokka. Superblokker som ikke er maskert kan du få fram innholdet av ved å dobbeltklikke på dem. Alternativet er å høyreklikke på blokka og så velge Open eller Look under Mask. Dersom du gjør dette på P-reg med pot-blokka vil følgende vindu åpnes. I dette vinduet kan du igjen dobbeltklikke på Kp-blokka og få fram et pot.meter. NB! For å komme tilbake til det originale blokkskjemaet kan du klikke på første ledd i hierarkiet dvs. 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. 6. Simulering av reguleringssløyfa med P-regulator. a) Stasjonært avvik ved forskjellige P-forsterkninger. Referansen skal være 0.5 og utventilen 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. Lag en tabell i Word som viser Kp og stasjonært avvik. b) 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 kopiere kurver fra et figurvindu til et annet. Simuler reguleringssløyfa i 100 sekunder med Kp=1. Kopier kurvene fra skopet over i et figurvindu. Sett Kp=2 og simuler reguleringssløyfa pånytt i 100 sekunder. Kopier skopet over i et figurvindu. Kurvene havner nå i et nytt figurvindu. Du har nå et figurvindu for Kp=1 og et for Kp=2. Aktiver editering av figurene ved å trykke inn pil-ikonet på begge figurvinduene. Nå kan du klikke på kurva for nivået i tanken når Kp=2 med høyre musetast og velg Copy. Deretter kan du kopiere denne kurva over i den figuren som gjelder når Kp=1. NB! Klikk inni diagrammet før du limer inn! Sånn skal du fortsette til du har nivået for alle de 5 forskjellige P-forsterkingene i samme figurvindu. Nivået for Kp=10 bør være stipla. Sett på overskrift, aksetekster og andre tekster og piler så figuren ser ut som vist her. (Kopier figuren over i et Word-dokument.) Side 57

6 Simulink øving 1 c) Innstilling etter Ziegler-Nichols tommelfingerregler. (Se avsnitt 2.6 på side 44 i læreboka.) Finn kritisk forsterking og kritisk periodetid. Tips: Sett simuleringstida til 99999 for å få kontinuerlig simulering og maks steglengde til f eks 0.005 (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. (Kopier figuren over i et Word-dokument. NB! Du må stoppe simuleringa for å kopiere. Det holder ikke bare med pause!) Tips: 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 50 000. (evt mer enn 50 000) 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. d) Skal regulatoren brukes som rein P-regulator sier Ziegler-Nichols tommelfingerregler at reguleringssløyfa blir rask uten å bli for oscillatorisk dersom man velger Kp= 0,5 K k. Med denne verdien for Kp skal du simulere reguleringssløyfa i 120 sekunder med referanse lik 0.5 og et sprang i utventilen fra 0.5 til 0.25 når t=60. Dokumenter innsvingningsforløpet med en figur som du limer inn i det samme Word-dokumentet. Hvilken type innsvingningsforløp får du med den valgte P-forsterkinga? (Se figur 2.3 på side 26 i læreboka.) NB! Innleverte simulinkøvinger skal ha dato og navn på alle gruppedeltakerne (maks 3) påført alle figurer allerede i Matlab for å bli godkjent Side 58