Systemteknik Inlämningsuppgift 2 Dynamik för biologisk nedbrytning av avloppsvatten

Relevanta dokument
Institutionen för Tillämpad Fysik och elektronik Umeå Universitet BE. Introduktion till verktyget SIMULINK. Grunderna...2

REGLERTEKNIK Laboration 3

Flervariabel reglering av tanksystem

INLÄMNINGSUPPGIFT I. REGLERTEKNIK I för STS3 & X4

Datorövning Matlab/Simulink. Styr- och Reglerteknik för U3/EI2

Datorövning 2 Matlab/Simulink. Styr- och Reglerteknik för U3/EI2

Operatörer och användargränssnitt vid processtyrning Datorövning 1 - Reglerteknik

SIMULINK. En kort introduktion till. Polplacerad regulator sid 8 Appendix Symboler/block sid 10. Institutionen för Tillämpad Fysik och elektronik

Systemteknik/Processreglering F6

Lösningsförslag till tentamen i Reglerteknik fk M (TSRT06)

Flervariabel reglering av tanksystem

Figure 1: Blockdiagram. V (s) + G C (s)y ref (s) 1 + G O (s)

Stabilitetsanalys och reglering av olinjära system

TENTAMEN I TSRT07 INDUSTRIELL REGLERTEKNIK

PC-BERÄKNINGAR. REGLERTEKNIK Laboration 5 och inlämningsuppgift. Inlämningsdatum:... Inlämnad av labgrupp:... Gruppdeltagare:

Tentamen i Systemteknik/Processreglering

Reglerteknik AK. Tentamen 9 maj 2015 kl 08 13

Lösningar till tentamen i Industriell reglerteknik TSRT07 Tentamensdatum: Martin Enqvist

Temperaturreglering. En jämförelse mellan en P- och en PI-regulator. θ (t) Innehåll Målsättning sid 2

ERE103 Reglerteknik D Tentamen

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 3. Sammanfattning av föreläsning 2 PID-reglering Blockschemaräkning Reglerdesign för svävande kula

Lunds Tekniska Högskola Avdelningen för industriell elektroteknik och automation

Modellering av en Tankprocess

REPETITION (OCH LITE NYTT) AV REGLERTEKNIKEN

REGLERTEKNIK Laboration 5

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

TENTAMEN I TSRT09 REGLERTEORI

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 8. Sammanfattning av föreläsning 7 Framkoppling Den röda tråden!

Reglerteknik AK, FRTF05

Introduktion till verktyget SIMULINK. Grunderna...2. Tidskontinuerliga Reglersystem Övningsuppgift...13

MODELLERING AV DYNAMISKA SYSTEM OCH INLUPP 2

Tentamen i Systemteknik/Processreglering

Simulering och reglerteknik för kemister

ERE 102 Reglerteknik D Tentamen

Lösningsförslag TSRT09 Reglerteori

Industriell reglerteknik: Föreläsning 3

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Liten MATLAB introduktion

REGLERTEKNIK KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120 Tentamen , kl

TSRT21 Dynamiska system och reglering Välkomna till Föreläsning 10

8.3 Variabeltransformationer Frånkoppling. Betrakta ett 2x2-system, som beskrivs med modellen (8.3.1)

TENTAMEN I TSRT09 REGLERTEORI

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

TENTAMEN I TSRT07 INDUSTRIELL REGLERTEKNIK

TMA226 datorlaboration

EL1000/1120/1110 Reglerteknik AK

Lösningar Reglerteknik AK Tentamen

Processidentifiering och Polplacerad Reglering

Modellering av Dynamiska system. - Uppgifter till övning 1 och 2 17 mars 2010

LAB 4. ORDINÄRA DIFFERENTIALEKVATIONER. 1 Inledning. 2 Eulers metod och Runge-Kuttas metod

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

TENTAMEN Modellering av dynamiska system 5hp

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Lösningsförslag TSRT09 Reglerteori

Frekvenssvaret är utsignalen då insginalen är en sinusvåg med frekvens ω och amplitud A,

Reglerteknik M3. Inlämningsuppgift 3. Lp II, Namn:... Personnr:... Namn:... Personnr:...

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Föreläsning 7. Reglerteknik AK. c Bo Wahlberg. 26 september Avdelningen för Reglerteknik Skolan för elektro- och systemteknik

Lösningsförslag TSRT09 Reglerteori

Reglerteknik AK. Tentamen 24 oktober 2016 kl 8-13

Reglerteknik AK, Period 2, 2013 Föreläsning 6. Jonas Mårtensson, kursansvarig

MODELLERING AV DYNAMISKA SYSTEM OCH INLUPP 2

Överföringsfunktioner, blockscheman och analys av reglersystem

Lösningar till tentamen i styr- och reglerteknik (Med fet stil!)

TENTAMEN I TSRT09 REGLERTEORI

TENTAMEN I TSRT09 REGLERTEORI

Formalia. Modellbygge & Simulering, TSRT62. Föreläsning 1. Varför modeller? Föreläsning 1: Modeller och modellbygge

Modellering och styrning av ett biologiskt reningsverk

Reglerteknik AK Tentamen

Reglerteori, TSRT09. Föreläsning 8: Olinjäriteter och stabilitet. Torkel Glad. Reglerteknik, ISY, Linköpings Universitet

Modellering och styrning av ett biologiskt reningsverk

Laboration i Automationsteknik FK: Del 1: Polplacering. Del 2: Markovkedjor

A

Modellering och avancerad styrning av ett biologiskt reningsverk

Tillämpningar av fysik och dynamik i biologiska system , kl. 09:00-15:00

TENTAMEN i Kommunal och industriell avloppsvattenrening - 1RT361

Statisk olinjäritet. Linjärt dynamiskt system

F13: Regulatorstrukturer och implementering

Matematisk statistik kompletterande projekt, FMSF25 Övning om regression

Industriell reglerteknik: Föreläsning 6

Modellering av en Tankprocess

Reglerteori. Föreläsning 8. Torkel Glad

Tentamen i Reglerteknik, 4p för D2/E2/T2

Självstudieövning 1: Grundläggande PID-reglering

Reglerteknik Z / Bt/I/Kf/F

TANA17 Matematiska beräkningar med Matlab

Reglerteori. Föreläsning 11. Torkel Glad

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

AUTOMATIC CONTROL REGLERTEKNIK LINKÖPINGS UNIVERSITET. M. Enqvist TTIT62: Föreläsning 2. Här är

Reglerteknik I: F1. Introduktion. Dave Zachariah. Inst. Informationsteknologi, Avd. Systemteknik

Transkript:

Systemteknik Inlämningsuppgift 2 Dynamik för biologisk nedbrytning av avloppsvatten Bo Bernhardsson Institutionen för reglerteknik Lunds Tekniska Högskola April 2001 Senast reviderad: april 2011 Figur 1 Den luftade dammen är den vanligaste biologiska reningsmetoden i svensk massaindustri. Bilden föreställer en luftad damm i Korsnäs. Figur 2 Flödesdiagram över reningsprocessen. Endast några få reningsanläggningar omfattar alla dessa steg. I uppgiften undersöks det inringade delsystemet. 1

1. Inledning Syftet med inlämningsuppgiften är att studera dynamiken för biologisk nedbrytning av till exempel processvatten. Vi kommer att ta fram systemets jämviktspunkt samt linjärisera systemet runt denna punkt. Med simuleringar kommer vi att studera noggrannheten i den erhållna linjära approximationen. Slutligen kommer vi att undersöka en PI-regulator som använder variabel flödeshastighet för att försöka hålla konstant kvalitet på utgående vatten. Uppgiften redovisas i en skriftlig rapport. Instruktioner för rapportskrivning finns på kursens hemsida. Bakgrund För att klara uppgiften ska ni förutom begreppen som nämns i inlämningsuppgift 1 även känna till linjärisering simulering i Simulink Kursens hemsida innehåller två Simulink-modeller: damm.mdl för simulering och och damm_lin.mdl för linjärisering. 2. Problemformulering 1 ochuppgifter 1Inom skogsindustrin genereras stora mängder processvatten som innehållerlöstorganisktkol.innanvattnetsläppsutienrecipientärdetviktigt att kolmängden reduceras, eftersom kolföroreningar bryts ner heterotroft varvid stora mängder syre konsumeras i recipienten. Kolhalten uttrycks ofta i BOD, biochemical oxygen demand. BOD är en experimentellt uppmätt storhet som anger hur mycket syre som åtgår för nedbrytningen.omvattnetinnehåller1gm 3 BODsåkrävs1glöstO 2 för attomvandlakoleti1m 3 vattentillco 2 ochvatten.(oftaangesbod 7, denmängdsombrytsnerinom7dagar.) Nedbrytningen kan begränsas av tillgången på syre eller av tillgången på kol. Vid höga substrathalter kan också mättnad uppträda. För såväl syrgas som BOD visar experiment att nedbrytningshastigheten kan beskrivas av ett Michaelis Menten-uttryck för totalhastigheten: därviiuppgiftenantaratt r([o 2 ],[BOD])= [O 2] α β+[o 2 ] [BOD] γ δ+[bod] α=2(gm 3 h 1 ) 0.5 β=2 gm 3 γ =5(gm 3 h 1 ) 0.5 δ=10 gm 3 1 Delar av problembeskrivningen är hämtad från övning 6.3 i kompendiet Materialbalanser och reaktorberäkningar, av Per Warfvinge. 2

[O 2 ] in [BOD] in Q Damm [O 2 ] [BOD] Figur 3 Blockdiagram för dammen, där flödet Q betraktas som styrsignal och utgåendesyrehalt[o 2 ]ochkolhalt[bod]sommätsignaler.inkommandesyrehalten [O 2 ] in ochinkommandekolhalten[bod] in kanintepåverkasochbetraktasdärför som störningar till processen. Syre för nedbrytningen tillförs även från atmosfären genom diffusion. Denna masstransport beskrivs av flödeshastigheten F O2 =ka([o 2 ] sat [O 2 ]) I uppgiften studeras dynamiken för biologisk nedbrytning av BOD i en damm med följande nominella parametrar: Masstransportkoefficient k 0.1mh 1 Dammensarea A 3000m 2 Dammensvolym V 1600m 3 MättnadskoncentrationförO 2 vid20 C [O 2 ] sat 10gm 3 InkommandeO 2 -halt NominellinkommandeBOD-halt [O 2 ] in 5gm 3 [BOD] in 50gm 3 Nominelltvattenflöde Q 0 100m 3 h 1 Dammen är dimensionerad för att hålla BOD-halten i utflödet under gränsvärdet20gm 3. Vi antar att inkommande och utgående vattenflöde är lika. Dammens volymvkommeralltsåattvarakonstant.medbeteckningarnax 1 =[O 2 ]och x 2 =[BOD]sågerenmassbalansföljandeekvationer,vilkaärutgångspunkten för vår analys: dx 1 = r(x 1,x 2 )+ Q dt V ([O 2] in x 1 )+ ka V ([O 2] sat x 1 ) dx 2 = r(x 1,x 2 )+ Q dt V ([BOD] in x 2 ) VikommersenareiuppgiftenantaattflödetQkanvarieras.Ettblockdiagram över processen visas i figur 3. Uppgift 1. Undersök med hjälp av en simulering vad syrehalten och kolhalten ställer in sig på under stationär drift, med nominell inkommande BOD-halt och nominellt vattenflöde.(tips: Avläs de stationära värdena med fyra värdesiffor för att få tillräcklig noggrannhet i kommande uppgifter.) Klarar processen av att hålla BOD-halten under gränsvärdet? Använd Simulink-modellen damm.mdl. 3

Uppgift 2. Linjärisera processen kring jämviktstillståndet x 0 = x0 1 x2 0 somnihittadeiuppgift1.noteraattdenstationärainsignalengesav u 0 =Q 0.Skrivsvaretpåformen d x =A x+b u dt y=c x Använd kommandot linmod och Simulink-modellen damm_lin.mdl. Uppgift3. Beräknaöverföringsfunktionernafrån utill y 1 respektive y 2.Varliggerdetlinjärasystemetspoler?Vadmotsvarardetförtidskonstanter i timmar? Uppgift 4. Beräkna det linjära systemets statiska förstärkningar från utill y 1 resp. y 2.UppskattamedledningavdessahurmycketBODhaltenresp.syrehaltenändrasefterlångtidomflödetökarmed1m 3 /h. Är processbeteendet rimligt?(försök göra en fysikalisk tolkning!) Uppgift 5. Plotta stegsvaret för det olinjära systemet och stegsvaret för det linjära systemet i samma figur. Hur väl stämmer modellerna överens? Simulera det olinjära stegsvaret med hjälp av modellen damm.mdl. Sättinitialvärdenaför[O 2 ]och[bod]tilldevärdennihittadeiuppgift 1(dubbelklicka på Damm-blocket för att ändra på parametrarna). SättinsignalentillQ 0 +1förattsimuleraettstegiinsignalen. Simulera det linjära stegsvaret med kommandot step. Glöm inte att addera den stationära BOD-halten till utsignalen för att kunna jämföra med det olinjära stegsvaret. Uppgift 6. Vi ska nu undersöka hur reningsdammen reagerar på en ändring i den inkommande kolhalten. Använd damm.mdl och sätt inkommandekolhalt[bod] in =55 gm 3.Sättinitialvärdenaför[O 2 ]och[bod] tilldevärdennihittadeiuppgift1.klarardammengränsvärdetnu? 4

[BOD] ref u 0 Q 4s+0.2 u + [O 2 ] + + s Transfer Fcn [BOD] in Damm [BOD] Figur 4 Blockdiagram för PI-reglering av kolhalten i dammen. Uppgift7. TillsistvillviregleradenutgåendeBOD-haltensåattden hålls kring referensvärdet även om den ingående BOD-halten varierar. Implementera för detta ändamål en PI-regulator U= 4s+0.2 s ( ) [BOD] ref [BOD] i Simulink. Utgå från damm.mdl och utöka modellen enligt blockdiagrammet i figur 4. Använd blocket Continuous/ Transfer Fcn för regulatorn och blocketsources/constantför[bod] ref,u 0 och[bod] in. Simuleradetregleradesystemetsbeteendemedreferensvärdet[BOD] ref = 18.5 gm 3 ochinkommandekolhalt[bod] in =55 gm 3.Sättinitialvärdenaför[O 2 ]och[bod]tilldevärdennihittadeiuppgift1. Fungerar regleringen tillfredsställande? Om inte, justera regulatorparametrarna så att gränsvärdet för[bod] inte överskrids. Plotta BOD-halten, syre-halten och flödet för er slutliga regulatorinställning. Ungefär hur lång tid tar det för BOD-halten att återhämta sig efter störningen? Vad händer med syrehalten i dammen? A. Användbara MATLAB-kommandon figure plot hold on legend linmod ss tf pole dcgain step 5