UPPSALA UNIVERSITET AVDELNINGEN FÖR SYSTEMTEKNIK B Carlsson 9911. Senaste revision 15 februari 2006 Operatörer och användargränssnitt vid processtyrning Datorövning 1 - Reglerteknik Senaste inlämningsdag 21 mars 1 2006, kl 16. Plats: Inluppsfacken på vån 2 Hus 2. (i) Manuell reglering (ii) P- och PI-reglering (iii) En inställningsmetod för PI-regulatorer (iv) Framkoppling (v) Relästyrning Namn Kommentarer av handledare Program Årskurs Datum Godkänd Sign 1 Då Bengt har namnsdag.
Innehåll 1 Inledning 1 2 Reglering av syrehalt i en aktivslamprocess 1 3 Start av datorövningen 1 4 Manuell styrning 2 5 P-reglering 2 6 PI-reglering 3 7 En inställningsmetod för PI-regulatorer 4 8 Framkoppling 5 9 Relästyrning 5 i
1 Inledning Målsättningen med denna datorövning är att studera några olika regulatorer och regulatorstrukturer. Som ett exempel används reglering av syrehalten i en aktivslamprocess. Mycket av det som illustreras gäller dock för många andra processer och reglerproblem. 2 Reglering av syrehalt i en aktivslamprocess Vi skall i denna övning studera några olika regulatorer för att reglera syrehalten i en aktivslamprocess. I aktivslambassängen utnyttjas mikroorganismer för att på biologisk väg rena avloppsvatten. För att mikroorganismerna skall kunna oxidera de organiska föreningarna i avloppsvattnet krävs syrerikt vatten. För att erhålla en effektiv rening är det därför av intresse att styra lufttillförseln så att en viss syrehalt kan hållas i vattnet. Syrehalten i vattnet kan påverkas genom att blåsa in luft i bassängen. Normalt används en reglerventil för att styra luftflödet, här antar vi dock att inverkan av ventilen är försumbar och låter därför luftflödet vara styrsignalen. Syrehalt Vatten från tidigare zon till nästa zon Luftflöde Figur 1: Syresättning i en biologisk reaktor. 3 Start av datorövningen Starta en webbläsare (som har Java Plugin) och gå till sidan http://www.syscon.uu.se/jass klicka sedan på länken Reglab. Du får då upp ett grafiskt gränssnitt varifrån hela övningen kan köras. 1
4 Manuell styrning Vi ska först titta på fallet då luftflödet ställs in manuellt. För att göra detta klicka på testm. Från gränssnittet kan ett önskat luftflöde ställas in manuellt Uppgift. Ställ in ett luftflöde som gör att syrehalten kommer hyfsat nära 2 mg/l. Notera nedan vilket luftflöde du valt. Svar:... Tryck sedan in knappen Resp.störning. Då simuleras en ökad belastning på processen som startar vid t=150 min. Den belastning som simuleras är en ökad syreförbrukning på grund av att mikroorganismernas respiration ökar. Detta inträffar t ex då halten organiskt material ökar i inkommande vatten. Klarar den manuella regleringen av störningen? Beskriv vad som händer! 5 P-reglering Genom att välja testp simuleras syreprocessen när den regleras med en P-regulator. Regulatorn är då en förstärkare och styrsignalen ges av Ù(Ø) = Ã (Ø) där Ù(Ø) är luftflödet (som vi antar styrs med en ventil), Ã är regulatorns förstärkning och (Ø) är reglerfelet (börvärdet-aktuell syrehalt). Vid Ø = 50 min ändras börvärdet från 0 till 2. Se även avsnitt 3.3 i kompendiet. Studera hur P-regulatorn kan reglera systemet. Går det att få reglerfelet till 0? Vad händer då Ã ökas? Vad händer då Resp.störningen kopplas in? 2
Uppgift. Hur mycket ökar styrsignalen (luftflödet) momentant då börvärdet ändras från 0 till 2 och då à = 8. Detta kan räknas ut från formeln ovan. Stämmer detta med vad ni ser i plotten? 6 PI-reglering Med valet testpi simuleras syreprocessen när den regleras med följande PI-regulator: Ù(Ø) = Ã( (Ø) + 1 Ì ( ) ) där Ì är integrationstiden. Notera att detso större Ì väljs ju mindre inverkan får integraltermen på styrsignalen. Se vidare avsnitt 3.4 i kompendiet. Uppgift. Studera hur PI-regulatorn kan reglera systemet. Går det att få reglerfelet till 0? Studera hur à och Ì påverkar stegsvaret och försök hitta en inställning som gör att syrehalten snabbt (30-40 minuter) går upp till börvärdet utan slängigheter. Studera även hur störningen regleras ut (använd knappen Resp.störning) 3
7 En inställningsmetod för PI-regulatorer I detta avsnitt ska en tumregelmetod för inställning av PI-regulatorer undersökas. Metoden finns beskriven i avsnitt 4.3 i kurskompendiet. Läs först detta avsnitt. Med tests simuleras stegsvaret för syrehalten då styrsignalen ändras med ett steg vid tiden t=100 minuter. Använd stegsvaret för att bestämma Ý, Ù, Ä och Ì. Observera att för detta system är dödtiden Ä mycket liten. Det exakta värdet är inte viktigt, gör en uppskattning. Tips: det kan vara bra att skriva ut figuren på en skrivare. Svar: Ý =... Ù =... Ä =... Ì =... Bestäm också M (det största värdet av Ì och Ä): Svar: Å =... Beräkna systemets förstärkning: Svar: Ã Ë = Ý Ù =... Pröva några olika värden på Ô, t ex Ô = 1 och Ô = 3 och bestäm à och Ì från Tabell 4.3 (se också räkneexemplet i slutet av avsnitt 4.3) Svar: Ô =... ger à =... Ì =... Ô =... ger à =... Ì =... Ô =... ger à =... Ì =... Använd testpi för att ställa in värdena ovan och undersöka hur regleringen fungerar för olika Ô. 4
8 Framkoppling Ett bra sätt att reglera ut mätbara störningar som påverkar en process är att använda framkoppling. Detta bör normalt kombineras med återkoppling för att garantera att utsignalen hamnar på börvärdet. Läs avsnitt 5.3 i kompendiet innan ni går vidare. Knappen testf simulerar syreprocessen när det regleras med en långsam PI-regulator (återkoppling) och en framkoppling. Styrsignalen ges av Ù(Ø) = Ã( (Ø) + 1 Ì ( ) ) + à Ê(Ø) där à är förstärkningen i framkopplingsregulatorn och Ê(Ø) är störningen som påverkar processen (vid Ø = 150 minuter) och som vi nu antar är mätbar. Regleringen består alltså av en PI-regulator som tidigare men också en framkoppling från respirationsstörningen Ê(Ø). Uppgift. Studera hur framkopplingen kan minska inverkan av störningen på utsignalen. Ta fram det minsta värde på à som gör att syrehalten inte understiger 1 mg/l. 9 Relästyrning Med testr simulerar processen då den regleras med ett relä. Styrsignalen är À då reglerfelet är positivt och 0 då reglerfelet är negativt. Studera hur olika À påverkar regleringen. Vad händer om À väljs för liten? 5
Med relästyrning erhålls en oscillerande syrehalt. Men det finns andra nackdelar med att använda relästyrning för att styra syrehalten. T ex kan reglerventiler och blåsmaskiner slitas ut onödigt fort. Du har nu sett lite enkla exempel på Reglerteknik, för den som vill lära sig mera om reglerteknik rekommenderas grundkursen Reglerteknik i period 41 och Datorbaserad Styrning i period 42. 6