KASKADEREGULERING

• Bilde av simulatorens frontpanel
• Hva trengs for å kunne kjøre simulatoren? Les for å få siste informasjon!
• Tips for bruk av simulatoren
• Simulatoren: kaskaderegulering.exe (klikk for å laste ned). Simulatoren kjører umiddelbart etter nedlasting ved å trykke Åpne i nedlastingsvinduet. Alternativt kan du først lagre en kopi av exe-filen på en selvvalgt katalog på PC'en og deretter kjøre exe-filen, hvilket starter simulatoren.

Innledning

Kaskaderegulering er en mye brukt reguleringsstruktur i såvel prosessindustrien som i servomekanismer. I prosessindustrien benyttes kaskaderegulering i temperaturregulering, nivåregulering, trykkregulering og kvalitetsregulering, og sekundærsløyfen utfører da gjerne strømningsregulering eller trykkregulering. I servomekanismer utgjør sekundærsløyfen gjerne hastighetsregulering (i elektriske og hydrauliske servomekanismer) eller strømregulering (i likestrømsmotorer). 

Kaskaderegulering kan gi en langt bedre kompensering for prosessforstyrrelser enn vanlig enkeltsløyferegulering kan gi.

Målene med oppgavene gitt nedenfor er

• å gi øving i å stille inn parametrene i regulatorene i et kaskadereguleringssystem
• å demonstrere fordelene ved kaskaderegulering i forhold til enkeltsløyferegulering, spesielt med hensyn på evnen til å kompensere for forstyrrelsen, v.

Beskrivelse av simulatoren

Reguleringssystemene

Simulatoren simulerer (i parallell) to reguleringssystemer:

• Et kaskadereguleringssystem bestående av to reguleringssløyfer - primærsløyfen og sekundærsløyfen, som inneholder henholdsvis primærregulatoren, R1, og sekundærregulatoren, R2, som begge er PID-regulatorer (i utgangspunktet).
• Et (vanlig) enkeltsløyfereguleringssystem der regulatoren, R, er en PID-regulator.

Begge reguleringssystemene påvirkes i simuleringen av den samme referansen, yr1, og av den samme forstyrrelsen, v.

Prosessen som reguleres

I begge reguleringssystemene består prosessen som reguleres, av to seriekoplede delprosesser:

• Delprosess 2 ("rask"): y2 = P2*u + v, der u er pådrag og d er forstyrrelse. P2 er et dynamisk system med forsterkning 1 og responstid tilnærmet lik 1 sek. (Transferfunksjonen for P2 er et 3. ordens system bestående 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 også utgangen av hele prosessen (bestående av de to delprosessene). P1 er et dynamisk system med forsterkning 1 og responstid tilnærmet 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.)

Måleelementene M, M1 og M2 er forsterkere med forsterkning 1.

Regulatorfunksjoner

Regulatorfunksjonene som kan benyttes i denne laben, er en PID-regulator og en av/på-regulator. Normalt skal en benytte PID-regulator, men av/på-regulatorer kan benyttes i forbindelse med innstilling av PID-parametre - når Åstrøm-Hägglunds autotuner benyttes (men du kan godt bruke Ziegler-Nichols' lukket-sløyfe-metode i stedet for denne metoden, og i så fall trenger du ikke av/på-regulatoren i denne laben).

Ytelsen av reguleringssystemene måles 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 være at prosessen befinner seg i det normale eller nominelle arbeidspunkt, som er definert som følger: Referansen er 40 (enhet %), forstyrrelsen er -10 og prosessutgangene y1 og y2 er 40%. Det nominelle pådrag, som er pådragsverdien 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 også forhåndsverdiene på frontpanelet). PID-regulatorene skal ha anti-windup.

1. Regulatorinnstilling: Finn passende parametre for primærregulatoren R1 og for sekundærregulatoren R2 i kadkadereguleringssystemet og for regulatoren R i enkeltsløyfereguleringssystemet. Bruk gjerne Ziegler-Nichols' lukket-sløyfe-metode, men du kan alternativt bruke Åstrøm-Hägglunds 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 å stille inn sekundærregulatoren før primærregulatoren, og sistnevnte må da stå i manuell modus, med passende pådragsbias. Eksiter reguleringssystemet med et lite sprang i referansen. Regulatorparametrene bør ikke bli veldig forskjellige fra følgende 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. enkeltsløyferegulering: 
   1. Kompenseringsegenskaper: Observer hvordan de to reguleringssystemene kompenserer for et sprang i forstyrrelsen, v. La spranget gå fra -10 til -30, men velg gjerne andre sprang også. Hvilket av de to reguleringssystemene kompenserer best (hurtigst) for forstyrrelsen? (Observer IAE-indeksen.)

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

       

   2. Følgeegenskaper: Observer hvordan de to reguleringssystemene klarer å få prosessutgangen til å følge et sprang i referansen. Hvilket av de to reguleringssystemene har best følgeegenskaper? (Observer IAE-indeksen.) Hvorfor er det stor(?)/liten(?) forskjell mellom reguleringssystemene når det gjelder følgeegenskaper?

[KYBSIM] [TechTeach]

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