KASKADEREGULERING

• Bilde av simulatorens frontpanel
• Hva trengs for � kunne kj�re simulatoren? Les for � f� siste informasjon!
• Tips for bruk av simulatoren
• Simulatoren: kaskaderegulering.exe (klikk for � laste ned). Simulatoren kj�rer umiddelbart etter nedlasting ved � trykke �pne i nedlastingsvinduet. Alternativt kan du f�rst lagre en kopi av exe-filen p� en selvvalgt katalog p� PC'en og deretter kj�re exe-filen, hvilket starter simulatoren.

Innledning

Kaskaderegulering er en mye brukt reguleringsstruktur i s�vel prosessindustrien som i servomekanismer. I prosessindustrien benyttes kaskaderegulering i temperaturregulering, niv�regulering, trykkregulering og kvalitetsregulering, og sekund�rsl�yfen utf�rer da gjerne str�mningsregulering eller trykkregulering. I servomekanismer utgj�r sekund�rsl�yfen gjerne hastighetsregulering (i elektriske og hydrauliske servomekanismer) eller str�mregulering (i likestr�msmotorer). 

Kaskaderegulering kan gi en langt bedre kompensering for prosessforstyrrelser enn vanlig enkeltsl�yferegulering kan gi.

M�lene med oppgavene gitt nedenfor er

• � gi �ving i � stille inn parametrene i regulatorene i et kaskadereguleringssystem
• � demonstrere fordelene ved kaskaderegulering i forhold til enkeltsl�yferegulering, spesielt med hensyn p� evnen til � kompensere for forstyrrelsen, v.

Beskrivelse av simulatoren

Reguleringssystemene

Simulatoren simulerer (i parallell) to reguleringssystemer:

• Et kaskadereguleringssystem best�ende av to reguleringssl�yfer - prim�rsl�yfen og sekund�rsl�yfen, som inneholder henholdsvis prim�rregulatoren, R1, og sekund�rregulatoren, R2, som begge er PID-regulatorer (i utgangspunktet).
• Et (vanlig) enkeltsl�yfereguleringssystem der regulatoren, R, er en PID-regulator.

Begge reguleringssystemene p�virkes i simuleringen av den samme referansen, yr1, og av den samme forstyrrelsen, v.

Prosessen som reguleres

I begge reguleringssystemene best�r prosessen som reguleres, av to seriekoplede delprosesser:

• Delprosess 2 ("rask"): y2 = P2*u + v, der u er p�drag og d er forstyrrelse. P2 er et dynamisk system med forsterkning 1 og responstid tiln�rmet lik 1 sek. (Transferfunksjonen for P2 er et 3. ordens system best�ende av en seriekopling av et 1. ordens system med forsterkning 1 og tidskonstant 0,5 sek og et 2. ordens system med forsterkning 1 og udempet resonansfrekvens 2 rad/s og relativ dempningsfaktor 1.)
• Delprosess 1 ("treg"): y1 = P1*y2, der y1 er delprosessens utgang og y2 er utgangen av delprosess 2. y1 = y er ogs� utgangen av hele prosessen (best�ende av de to delprosessene). P1 er et dynamisk system med forsterkning 1 og responstid tiln�rmet lik 5 sek. (Transferfunksjonen for P1 er et 2. ordens system med forsterkning 1 og udempet resonansfrekvens 0,2 rad/s og relativ dempningsfaktor 1.)

M�leelementene M, M1 og M2 er forsterkere med forsterkning 1.

Regulatorfunksjoner

Regulatorfunksjonene som kan benyttes i denne laben, er en PID-regulator og en av/p�-regulator. Normalt skal en benytte PID-regulator, men av/p�-regulatorer kan benyttes i forbindelse med innstilling av PID-parametre - n�r �str�m-H�gglunds autotuner benyttes (men du kan godt bruke Ziegler-Nichols' lukket-sl�yfe-metode i stedet for denne metoden, og i s� fall trenger du ikke av/p�-regulatoren i denne laben).

Ytelsen av reguleringssystemene m�les med IAE-indeksen (time Intergral of Absolute value of Control Error), som er tidsintegralet av reguleringsavvikets absoluttverdi. Jo bedre regulering, jo mindre IAE-indeks.

Oppgaver

I oppgavene nedenfor (med mindre annet er opplyst) skal utgangspunktet v�re at prosessen befinner seg i det normale eller nominelle arbeidspunkt, som er definert som f�lger: Referansen er 40 (enhet %), forstyrrelsen er -10 og prosessutgangene y1 og y2 er 40%. Det nominelle p�drag, som er p�dragsverdien som holder prosessen i det nominelle arbeidspunktet, er 50% for alle regulatorene.

I PID-regulatorene settes referansevektene w_p og w_d lik 1 og faktoren a lik 0,1 (disse verdiene er ogs� forh�ndsverdiene p� frontpanelet). PID-regulatorene skal ha anti-windup.

1. Regulatorinnstilling: Finn passende parametre for prim�rregulatoren R1 og for sekund�rregulatoren R2 i kadkadereguleringssystemet og for regulatoren R i enkeltsl�yfereguleringssystemet. Bruk gjerne Ziegler-Nichols' lukket-sl�yfe-metode, men du kan alternativt bruke �str�m-H�gglunds autotuner om du vil. R1 skal fungere som en PID-regulator, mens R2 skal fungere som en PI-regulator. R skal fungere som en PID-regulator. 
   (Tips: Husk � stille inn sekund�rregulatoren f�r prim�rregulatoren, og sistnevnte m� da st� i manuell modus, med passende p�dragsbias. Eksiter reguleringssystemet med et lite sprang i referansen. Regulatorparametrene b�r ikke bli veldig forskjellige fra f�lgende verdier: R1: Kp=7,2, Ti=5, Td=1,25. R2: Kp=1,8, Ti=2, Td=0. R: Kp=4,2, Ti=6, Td=1,5.)

    

2. Kaskaderegulering vs. enkeltsl�yferegulering: 
   1. Kompenseringsegenskaper: Observer hvordan de to reguleringssystemene kompenserer for et sprang i forstyrrelsen, v. La spranget g� fra -10 til -30, men velg gjerne andre sprang ogs�. Hvilket av de to reguleringssystemene kompenserer best (hurtigst) for forstyrrelsen? (Observer IAE-indeksen.)

      Observer ogs� hvordan p�draget (som styrer prosessdel 2 direkte) arbeider i hvert av de to reguleringssystemene. I hvilket system er p�draget mest aktivt?

       

   2. F�lgeegenskaper: Observer hvordan de to reguleringssystemene klarer � f� prosessutgangen til � f�lge et sprang i referansen. Hvilket av de to reguleringssystemene har best f�lgeegenskaper? (Observer IAE-indeksen.) Hvorfor er det stor(?)/liten(?) forskjell mellom reguleringssystemene n�r det gjelder f�lgeegenskaper?

[KYBSIM] [TechTeach]

Oppdatert 26.4.06. Utviklet av Finn Haugen. E-postadresse: finn@techteach.no.