HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Målform: Bokmål Eksamensdato: 15.desember 2014 Varighet/eksamenstid: 0900-1400 Emnekode: Emnenavn: TELE2001-A Reguleringsteknikk Klasse: 2EL 2FE Studiepoeng: 10 Faglærer: Pål Gisvold (tlf 48 07 63 73) Hjelpemidler: Oppgavesettet består av: Læreboka: Reguleringsteknikk av Hveem og Bjørvik, egen prosjektrapport, kalkulator (type B dvs Citizen SR270X, Casio fx-82es, Casio fx-82es plus eller HP30S ) og teikne - og skrivesaker. Handskrevne notater på sidene i læreboka er tillatt. Denne forsida og oppgave 1 (100%) på til sammen 3 sider Vedlegg består av: 5 sider (figurene 3, 4, 5, 6, 7 og 8) Merknad: Oppgaveteksten kan beholdes av studenter som sitter eksamenstiden ut. Lykke til! NB! Alle sluttsvar og begrunnelser skal skrives på de ordinære rutearkene. Det er bare disse arkene du og sensor får kopier av. (Du kan gjerne skrive på vedleggene og legge dem ved besvarelsen for å vise hvordan du har kommet fram til dine svar ut fra diagrammene. Husk i så fall å skrive på kandidatnummer på de vedleggsarkene du legger ved besvarelsen.) NB! Dersom du mener at det er feil i oppgaveteksten eller du mangler opplysninger fordi du ikke har fått til et delsvar må du bare gjøre fornuftige antakelser og så gå videre. Ikke la deg vippe av pinnen eller rop på eksamensvakten. Skriv bare: Jeg antar at... og så rekner du videre. Alle svar skal begrunnes!
Eksamen i TELE2001-A Reguleringsteknikk des 2014 2 Oppgave 1 (100%) Fartsregulering (Cruisecontrol) Figur 1. Forenkla blokkskjema for fartsregulering. Fartsregulatoren bestemmer gasspedalpådraget. Blokkskjemaet over viser ei fartsreguleringssløyfe. Regulatoren er en digital regulator med samplingstid lik 0,2 sekunder. Når regulatoren brukes som PIDregulator er den på sum-form. Figur 2. Forenkla blokkskjema for motor mm, bilens masse mm og fartsmåler. Dette gjelder ved manuell styring av farten. Sjåføren trykker på gasspedalen. I blokkskjema i figur 2 er det satt opp tre blokker. Ei blokk for motor, gir, hjul med mere som gir overføringsfunksjonen fra gasspedalpådrag til kraft fra hjul mot veibane. I tillegg er det ei blokk som baserer seg på kraftbalansen hvor nettokraften går med til å akselerere massen til bilen og til å overvinne luftmotstanden. Den siste blokka viser fartsmåleren (speedometeret). Bilens toppfart er 180 km/t og i normaliserte verdier er 0-180 km/t lik 0 % til 100 %. Nominelle verdier for gasspådraget er satt til 0-1 som tilsvarer 0 % til 100 %. Problemstilling Du skal modellere blokkene som inngår i fartsreguleringa. Deretter skal du bruke forskjellige metoder for å komme fram til forslag på digital regulatortype (P, PI, PD eller PID) og regulatorparametre. Det er gjort endel målinger og eksperiment på reguleringssløyfa og disse måleresultatene er grunnlaget for å løse oppgaven. Måleresultatene er lagt ved oppgavesettet i form av figurer. Reguleringssløyfa er lite plaget med støy. Krav til reguleringssløyfa 1 Null stasjonært avvik 2 Innsvingningsforløp av typen minimum forstyrrelse 3 Raskest mulig reguleringssløyfe
Eksamen i TELE2001-A Reguleringsteknikk des 2014 3 NB! Dersom du seinere ikke greier å finne noen modell av fartsreguleringssystemet så kan du se på figur 2 og bruke:, og Formlene over er ikke de riktige riktige overføringsfunksjonene. Du får trekk om du bruker en eller flere av overføringsfunksjonene over dersom du samtidig har klart å finne fram til den tilsvarende overføringsfunksjonen i punkt A, B eller C. NB! Alle svar skal begrunnes! Spesifisert oppgavetekst: A (6 %) Eksperimentell modellering av bilens masse og luftmotstand. Ta utgangspunkt i sprangresponsen i figur 3 og finn overføringsfunksjonen h. B (8 %) Eksperimentell modellering av motor, gir, hjul mm. Ta utgangspunkt i sprangresponsene i figur 4 og 5 og finn overføringsfunksjonen h. C (8 %) Eksperimentell modellering av fartsmåler Ta utgangspunkt i frekvensresponsen til fartsmåleren som vist i figur 6 og finn h F. Som en tilleggsopplysning kan det nevnes at fartsmåleren (speedometeret) til bilen er testet på verksted. Der viste den konsekvent 10 % for mye i hele området fra 40 km/t til 100 km/t. D (10 %) Sprangresponsen fra gasspedalpådrag til målt fart. Skisser raskt sprangresponsen fra gasspedalpådrag til målt fart når spranget i gasspedalpådraget er 40 % i normalisert verdi. Ta utgangspunkt i overføringsfunksjonene du fant i oppgavene A, B og C. B M E (28%) a ( 6%) b (15 %) Innjustering av regulator basert på frekvensanalyse Vis hvordan du finner fram til overføringsfunksjonen du kan bruke som utgangspunkt for opptegning av frekvensresponsen i et bodediagram når du skal justere inn regulatoren basert på frekvensanalyse. NB! Du skal ikke tegne opp bodediagrammet, bare sett opp overføringsfunksjonen. Frekvens responsen for åpen sløyfe med P-regulering og Kp = 1 er vist i figur 7. Denne er tegnet opp for analog regulator dvs. Det er ikke tatt hensyn til at regulatoren er digital. Modifiser Bode-diagrammet slik at det tar hensyn til at regulatoren er digital. Til slutt skal du bruke Bode-diagrammet til å komme fram til et forslag til regulatorinnstillinger ut fra kravene til reguleringssløyfa. (Du kan tegne rett inn i diagrammet i figur 7 og legge det ved besvarelsen.) Valg av regulatortype skal begrunnes.
Eksamen i TELE2001-A Reguleringsteknikk des 2014 4 c (7 %) Frekvensresponsen til åpen sløyfefunksjon med regulator (dvs for h 0) er vist i figur 8. Hvordan vurderer du dette resultatet? Hvordan bør regulatoren eventuelt etterjusteres? F (40 %) Endring i fart ved kjøring i motbakke med P- og PID-regulering. Bilen kjører med konstant hastighet på en flat vei med manuell fartsregulering (figur 2). Sjåføren ser på fartsmåleren (speedometeret) at den viser 70 km/t. a (5 %) b (5 %) Hvor fort går bilen i virkeligheten, dvs bilens virkelige fart, x, i km/t og i normalisert verdi? Hvor stort gasspedalpådrag (i normalisert verdi) kreves for å holde denne farten? Fartsregulatoren er innstilt som en P-regulator med K p = 5. Sjåføren kopler plutselig inn fartsregulatoren (cruisekontrollen) mens fartsmåleren viser 70 km/t. Nå er det fartsregulatoren som bestemmer gasspådraget basert på målt fart (figur 1). Fartsreferansen blir automatisk satt lik den målte farten i det fartsregulatoren koples inn. Fartsreferansen blir dermed satt til 70 km/t. c (3 %) d (12 %) e (5 %) Ved innkopling av fartsregulatoren blir det nominelle pådraget automatisk satt lik gasspedalpådraget rett før innkopling. Dermed holdes farten uendra før og etter aktivering av fartsregulatoren. Hvor stort er det nominelle pådraget i % rett etter innkopling av fartsregulatoren? Bilen kjører inn i en lang motbakke med en stigning som tilsvarer F motbakke = 25 % i normalisert verdi. Hvor mye synker den stasjonære målte farten i normalisert verdi og i km/h. Hvor mye viser fartsmåleren (speedometeret) nå? Fartsgrensa på stedet er 60 km/h. Nesten øverst i bakken står politiet med en helt nøyaktig lasermåler. De har bestemt seg for å bøtelegge alle som de måler i over 62 km/t. Kommer sjåføren til å bli bøtelagt? (Svaret skal begrunnes!) Sjåføren synes at fartsregulatoren virker for dårlig med denne P-reguleringa. Han kjører hjem og stiller inn regulatoren som en PID-regulator med innstillingene fra polanalysen i oppgave E. Med den nye PID-regulatoren kjører sjåføren med 70 km/t på flat vei og aktiviserer fartsregulatoren. Deretter kjører han den samme lange motbakken som i punkt d). f (5 %) g (5 %) Hvor mye synker den stasjonære målte farten i normalisert verdi og i km/h. Hvor mye viser fartsmåleren (speedometeret) nå? Fartsgrensa på stedet er fortsatt 60 km/h. Nesten øverst i bakken står politiet og venter med en helt nøyaktig lasermåler. De har bestemt seg for å bøtelegge alle som de måler i over 62 km/t. Kommer sjåføren til å bli bøtelagt nå? (Svaret skal begrunnes!)
Kandidatnr Dette vedlegget til eksamen i TELE2001-A Reguleringsteknikk 15. desember 2014 inneholder: Figurene 3, 4, 5, 6, 7 og 8.
Vedlegg til eksamen i TELE2001-A Reguleringsteknikk des 2014 2 Kandidatnr Figur 3 Sprangrespons for bilens masse og luftmotstand Figur 4 Sprangrespons for motor, gir, hjul mm.
Vedlegg til eksamen i TELE2001-A Reguleringsteknikk des 2014 3 Kandidatnr Figur 5 Sprangrespons for motor, gir, hjul mm. Figur 6 Frekvensrespons for fartsmåler
Vedlegg til eksamen i TELE2001-A Reguleringsteknikk des 2014 4 Kandidatnr Figur 7 Frekvensrespons for åpen sløyfefunksjon uten regulator, og uten tidsforsinkelsen til den digitale regulatoren.
Vedlegg til eksamen i TELE2001-A Reguleringsteknikk des 2014 5 Figur 8 Frekvensrespons for åpen sløyfefunksjon med regulator.