NIV�REGULERING AV FLISTANK

Bilde av simulatorens frontpanel
Hva trengs for � kunne kj�re simulatoren? Les for � f� siste informasjon!
Tips for bruk av simulatoren
Simulatoren: nivreg_flistank.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.

Beskrivelse av systemet som simuleres

Et reguleringssystem for niv�et av flis i en flistank simuleres. (Systemet likner p� et niv�reguleringssystem ved S�dra Cells papirmassefabrikk p� Tofte.) Hensikten med niv�reguleringen er � holde niv�et mellom spesifiserte grenser: Det er viktig at niv�et ikke er for h�yt, for ellers vil flisen ikke bli tilstrekkelig forvarmet (av damp som tilf�res fra et annet prosessavsnitt) og dessuten vil tanken kunne bli helt full. Det er ogs� viktig at niv�et ikke er for lavt, for ellers vil det bli dampgjennomslag, hvilket medf�rer at den sulfatholdige dampen g�r til atmosf�ren - til stor sjenanse for omgivelsene (pga. lukten).

Her er en prosessmodell (kjennskap til prosessmodellen er imidlertid ikke n�dvendig for � utf�re oppgavene nedenfor). Parameterverdiene er tilgjengelige via simulatorens frontpanel.

M�lene med oppgavene

M�lene med oppgavene gitt nedenfor er

� gi en forst�else av hvordan et automatisk reguleringssystem basert p� tilbakekopling virker, og hvilke fordeler dette har sammenliknet med styring med konstant p�drag
� gi en forst�else av egenskapene ved ulike regulatorfunksjoner, nemlig PID og av/p�-regulator
� gi ferdigheter i innstilling av regulatorparametre
� gi innsikt i hvordan forskjellige parametre (i regulatoren, prosessen og m�leutstyret) p�virker reguleringssystemets dynamiske egenskaper.

Med andre ord: Du vil f� kunnskap om de aller viktigste sidene ved praktisk reguleringsteknikk!

Motivasjon

Reguleringssystemer er essensielle i industrielle prosesser siden det er viktig og nyttig � kunne styre prosessvariable slik at de holder seg p� eller tilstrekkelig n�r �nskede verdier (settpunkt eller referanser). PID-regulatoren er den desidert mest brukte regulatorfunksjonen i industrielle systemer.

Oppgaver

I oppgavene nedenfor (med mindre annet er opplyst) skal utganspunktet v�re at prosessen befinner seg i det normale eller nominelle arbeidspunkt, som er definert slik:

Referansen er 10 meter.
Utstr�mningen av flis er w_ut = 1500 kg/min = w_ut,nom.
Det nominelle p�draget er u_nom = 45%, som er den verdien av skruep�draget som vil gi en innstr�mning som er lik ovennevnte nominelle utstr�mning.

I oppgavene om PID-regulering: Sett referansevektene w_p og w_d lik 1 og faktoren a lik 0,1 (disse verdiene er ogs� forh�ndsverdiene p� frontpanelet). PID-regulatoren skal ha anti-windup.

F�rst: Ingen regulator! Sett regulatoren i manuell modus (det fins en bryter for dette i regulatorfeltet p� frontpanelet). Sett p� et sprang i utstr�mningen, f.eks. fra 1500 til 1800 kg/min, hvilket medf�rer at styresignalets verdi, u_nom, ikke lenger er tilpasset forstyrrelsens (utstr�mningens) verdi, w_ut,nom. Hvordan blir responsen i niv�et? Er styring med fast p�drag (u_nom = konstant) en akseptabel styringsmetode for denne prosessen?
S�: Manuell regulering (du skal v�re regulator!) Sett regulatoren i manuell modus (det fins en bryter for dette i regulatorfeltet p� frontpanelet). Sett p� et sprang i utstr�mningen, f.eks. fra 1500 til 1800 kg/min. Kompenser manuelt for denne forstyrrelsen ved � styre p�draget (juster u_nom fortl�pende). Hvor lang tid bruker du p� � bringe niv�et tilbake til referansen med et stasjon�rt reguleringsavvik p� mindre enn 0,1m? Er det noen ulemper knyttet til � bruke mennesker som regulatorer?
Automatisk regulering med av/p�-regulator: Av/p�-regulatoren er en simpel automatisk regulator basert p� tilbakekopling. Sett regulatoren i automatisk modus. Sett i utgangspunktet av/p�-regulatorens amplitude A lik 10 %. Gi w_ut og u_nom nominelle verdier (angitt ovenfor).
1. Hvordan arter responsen i niv�et seg? Forklar!
2. Sett p� et sprang i utstr�mningen fra 1500 til 1800 kg/min. Hvordan blir responsen i niv�et? Forklar! Hva skjer med responsen i niv�et dersom du �ker A (fra 10%)? Klarer du � oppn� at reguleringsavviket blir mindre enn 0,1m?
Automatisk regulering med PID-regulator: Innstilling av regulatorparametrene: I oppgavene ovenfor har dere sett at det er visse ulemper knyttet til styring med fast p�drag, manuell regulering og automatisk regulering med av/p�-regulator. Kanskje automatisk regulering med en kontinuerlig regulering med PID-regulator vil virke bedre?
1. Finn parametrene for en PID-regulator vha. �str�m-H�gglund-metoden (rel�metoden). Du kan sette rel�funksjonens eller av/p�-funksjonens amplitude A lik 5%. Du vil se at responsen i niv�et ikke blir sinusformet, men du kan se litt stort p� det og late som om responsen er sinusformet (dvs. du leser av amplituden i svingningene p� vanlig m�te).
  Tips: Husk at E, som inng�r i formelen for kritisk forsterkning, skal ha enhet % (m�leenheten).
2. Finn parametrene ogs� vha. Ziegler-Nichols' lukket-sl�yfe-metode. Blir parametrene noenlunde som i deloppgave a?
  
  I de etterf�lgende oppgavene skal du bruke en PID-regulator, som i utgangspunktet kan ha parameterverdiene funnet i deloppgave 4a eller 4b.
  
  Dersom du ikke har utf�rt oppgave 4, kan du bruke disse PID-parametrene:
  
  Kp = 1,8, Ti = 9 min = 540 sek, Td = 2,25 min = 135 sek.
Er reguleringssystemets stabilitet OK? Legg inn et sprang i forstyrrelsen w_ut (f.eks. fra 1500 til ca 2000 kg/m), og observer hvordan responsen i niv�et svinger seg inn. Synes reguleringssystemet � ha tilfredsstillende stabilitet med PID-regulatoren?
Reguleringsegenskaper (kompenseringsegenskaper):
1. Hvor stort blir det stasjon�re reguleringsavviket med bruk av PID-regulator etter et sprang i forstyrrelsen w_ut (fra 1500 til 1800 kg/min)?
2. Hvor lang tid tar det for PID-regulatoren � bringe niv�et tilbake til referansen med et stasjon�rt reguleringsavvik p� mindre enn 0,1m (etter spranget i w_ut som angitt ovenfor)? Hvilken regulator er best i s� henseende: Du (jf. oppg. 2) eller PID-regulatoren?
3. Bytt ut PID-regulatoren med en P-regulator. Velg en passende verdi for regulatorforsterkningen i P-regulatoren. Hvor stort blir n� det stasjon�re avviket etter et sprang i forstyrrelsen? Null?
F�lgeegenskaper: Hvor stort blir det stasjon�re reguleringsavviket med PID-regulator etter et sprang i referansen?
Virkem�ten for P-, I- og D-leddet: Observer hvordan de forskjellige p�dragsleddene arbeider (det er en egen knapp under p�dragsdiagrammet for � f� vist p�dragsleddenes tidsresponser) ved sprang i forstyrrelsen.
Reguleringssystemets stabilitet ved parameterendringer: Unders�k hva som skjer med reguleringssystemets stabilitet ved parameterendringene angitt nedenfor. I hver deloppgave/eksperiment kan du eksitere reguleringssystemet med et lite sprang i referansen. Eksperimentene skal gjennomf�res uavhengig av hverandre, dvs. at parameterverdiene skal stilles tilbake til forh�ndsverdiene n�r eksperimentet er gjennomf�rt.
1. Regulatorforsterkningen K_p �kes (mye).
2. Integraltiden T_i reduseres (mye).
3. Derivattiden T_d �kes (mye).
4. Skrueforsterkningen K_u �kes (mye).
5. Regulatorens samplingsintervall Ts_reg, som stilles inn �verst p� frontpanelet) �kes (mye).
6. D�dtiden (transportforsinkelsen) t_d �kes (mye).
7. Tverrsnittsarealet A reduseres (mye).
8. M�leforsterkningen K_m,LT �kes (mye).
9. Referanseforsterkningen K_m,LC �kes (mye).

[KYBSIM] [TechTeach]

Oppdatert 16.8.04. Utviklet av Finn Haugen. E-postadresse: finn@techteach.no.