Teori Se din kursbok under avsnitt PID-reglering, Ziegler-Nichols metod och olinjära system (avsnitt 7.7 i Modern Reglerteknik av Bertil Thomas).

Transkript

1 /TFE CJ, BT, BaE, SG Laboration i kurs Tillämpad reglerteknik Institutionen för tillämpad fysik och elektronik Umeå universitet PID - NIVÅREGLERING AV TANK Målsättning Målet med denna laboration är att visa hur PID-reglering fungerar i praktiken. Du förväntas efter genomförd laboration ha kunskaper om nivåreglering och hur PID-regulatorns olika parametrar påverkar den reglerade storheten vid olika lastfall. Teori Se din kursbok under avsnitt PID-reglering, Ziegler-Nichols metod och olinjära system (avsnitt 7.7 i Modern Reglerteknik av Bertil Thomas). Förberedelseuppgifter 1. Vad är fördel respektive nackdel med PI-reglering jämfört med enbart P-reglering? 2. Vad är fördel respektive nackdel med PD-reglering jämfört med enbart P-reglering? 3. Vilket samband finns det mellan P-delens proportionalband (%) och regulatorförstärkningen (ggr)? Om proportionalbandet tex är 20 % - vad är då förstärkningskonstanten? 4. Vad ställer man in för värde på T i och T d om man vill att regulatorn bara skall ha P-del? 5. Hur använder man Ziegler-Nichols självsvängningsmetod? Om en process beskrivs av : 4 G P ( s) = 1+ 2s Varför kan då denna svängningsmetod inte användas? 6. Rita ett reglertekniskt blockschema av laborationsuppställningen som matchar nivåreglering av den övre tanken ( se figur nedan) - Reglerad storhet är då vatten-nivån i den övre tanken. Rita ett block "en ruta" för var och en av följande enheter: regulator, effektförstärkare till pump, vattentank samt nivågivare. Rita in texterna börvärde, ärvärde, felsignal, styrdon och reglerobjekt i ditt schema. Överföringsfunktioner för blocken behöver ej anges i schemat. Anm. Se även fråga En lämplig modell för hela systemet (laborationsuppställningen) består av ut- och insignaler

2 (till varje block) som beskriver förändringar utifrån ett jämviktsläge. Varför är det lämpligt i detta fall att studera små avvikelser från ett jämviktsläge? 8. Vad har en PID-regulator med parametrarna K, T i och T d för överföringsfunktion ( i s-planet)? Vad är motsvarande samband i tidsplanet?

3 Laborationsuppställning Laborationsuppställningen består av två seriekopplade vattentankar, se figur 1. Vatten pumpas in i den övre av tankarna (tank 1) med hjälp av en elektrisk pump. Utflödet från den övre tanken leds till den undre (tank 2). En störning av utflödet från den övre tanken kan åstadkommas genom att manuellt öppna en ventil och leda vatten förbi den undre tanken, se figur 1. I båda tankarna finns nivågivare. Högst upp på tankstativet sitter en kopplingsplint med givarnas utgångar samt ingångar för anslutning av matningsspänning för givarnas elektronik samt pumpens drivspänning, se figur 1. Pump Tank 1 Tank 2 Manuell ventil = Nivågivare + Tank 1 0 V (Nivå ) Trimpotentiometrar + Tank 2 0 V (Nivå ) Nivå-givare Tank 1 Nivå-givare Tank 2-12V 0V +12V + MOTOR - Kopplingsplint på tankstativet Figur 1: Laborationsuppställning.

4 Regulator Regulatorn DB1000 sitter i en låda som även innehåller spänningsmatning till nivågivarna samt effektsteg (drivning) till vattenpumpen, se figur 2. Hur man ställer in regulatorn framgår av bilaga 1. Lådan har även en vippkontakt för manuell styrning (PID-regulatorn kopplas då ur och pumpen styrs av en ratt på lådans front). Står vippkontakten i läge "auto", så styrs pumpen av PID-regulatorn i lådan. I mittenläget ext styrs pumpen av en extern analog signal från till exempel en annan regulator. Denna variant kommer att användas i denna laboration. Pumpens drivutgångar har färg svart och vit och kopplas till "Motor" på tankstativet. Givarelektroniken kräver +/- 12 V och jord (0 V) som tas från regulatorlådan. I denna laboration skall PID-regulatorn implementeras med hjälp av Labview. Den svarta lådan som också innehåller en PID-regulator skall bara fungera som spänningskälla för nivågivarna och som effektsteg till pumpen. Nivågivarnas utgångar kopplas till mätkortet på datorn. Labview beräknar styrsignalen och denna kopplas till den svarta lådan, som driver pumpen. Till mätkortets kombinerade ingång och utgång på datorns baksida ansluts kopplingsplinten via en kabel. Nivågivaren i den övre tanken ansluts till den analoga ingångskanalen 0 på mätkortet (ACH0), vilket motsvarar ingång 68 på kopplingsplinten. Jord ansluts till kanal 8, vilket motsvarar ingång 34. Nivågivaren till den undre tanken ansluts till kanal 1, vilket motsvarar ingång 33 på kopplingsplinten. Jorden för den andra givaren skall anslutas till kanal 9 (ingång 66). Enklast är att koppla ihop ingångarna 34 och 66. Styrsignalen från regulatorn läggs ut som en spänning mellan utgångskanalen 0, vilket är utgång 22 på kopplingsplinten, och jord som är utgång 55 på kopplingsplinten. Denna spänning ansluts till ingången styrsignal på den svarta lådan. Vippkontakten på den svarta lådan skall stå i läge ext när styrsignalen ges av en extern regulator. Starta labview. Vid reglering av nivån i den övre (1) och den undre (2) tanken används labviewprogrammen tank1.vi respektive tank2.vi. Med hjälp av det grafiska användargränssnittet kan regulatorparametrar och samplingsfrekvens väljas. Programmet startas genom att klicka på run continously. Ärvärde, börvärde och styrsignal presenteras grafiskt.

5 ÄR-värde Styr-signal Pump Ut +12 V 0-10 V 0-10 V 0 V -12 V Jord Jord Jord. Anslutningar på lådan ÄR-värde: Ansluts till nivågivare (IN) Styrsignal Pump ut: Till pump.( UT ) +/-12V,0V: Strömförsörjning. ( UT Figur 2: Regulatorn DB1000

6 Utförande 1. Koppla in regulatorn till tankprocessen. 2. Styr pumpen manuellt. Pröva att manuellt reglera nivån i övre respektive undre tanken! Vilken tank är lättare att reglera - varför? 3. Reglera nivån i övre tanken med enbart P-reglering. Använd stora respektive små värden på regulatorförstärkningen (K). Kommentar: Stort K är ca 100 litet K är ca 0.5 Hur bra går det? Hur är stabiliteten? Hur stort är kvarstående fel? Har kvarstående fel något samband med K? 4. Samma uppgift som nyss fast pröva olika lastfall: Stör processen genom att fylla på med lite vatten från en mugg- eller med att öppna en kran som släpper förbi vatten (en "last" som ökar avflödet). 5. Gör nu samma test i undre tanken som du gjort i den övre. 6. Upprepa dina tester som du gjort tidigare fast nu med PI-reglering av övre resp. undre tank. Använd "lagom" stort K men variera T i. Hur bra går det? Hur stort är kvarstående fel? Kontrollera med en graf på ärvärdet från regleringen. Stabiliteten? Finns det något samband mellan stabilitet och storleken på T i? Hur påverkas systemet av laststörningar? 7. Gör test med PD-reglering i övre och undre tank. Vad blir resultatet? 8. Använd PID-reglering på undre tanken. Välj värde på T i och T d från tidigare lyckosamma regleringar. 9. Bestäm ungefärliga värden på K, T i och T d till PID-regleringen i undre tanken med Ziegler- Nichols metod. Vilka parametervärden fick du? Hur bra blev regleringen med dessa värden. Redovisa Skriv en fullständig laborationsrapport i vilken du redovisar: Föreberedelseuppgift I-VII Uppgift 4 (enbart övre tank) Uppgift 6-9

7 BILAGA PID-regulator DB1000 Display: PV = Process Value (ÄR-värde) SV = Set Point Value ( BÖR-värde) OUT = Styrsignal från regulatorn PV 25.2 % SV 40.0 % OUT : 75% MODE SEL A/M ENT MODE: Switch mellan normal visning och MODE-meny. SEL: Val av funktion i aktuell MODE. Flytta markör vid inställning av numeriskt värde samt låsfunktion K=100/25=4 ggr. ( P = proportionalband ) MODE-val samt minska numeriskt värde. MODE-val samt öka numeriskt värde. DISPLAY MODE Format på PID- Parameterinställning: Meny-layout: T I =38 sek. Obs att I=0 T I =! PID -1 P.025.0% I.0038SD.0008S T D =8 sek. MODE 0 MODE 1 MODE 2 MODE 3 SEL SV-inst. PID-inst. Autotune