NIVÅREGULERING AV FLISTANK

• Bilde av simulatorens frontpanel
• Hva trengs for å kunne kjøre simulatoren? Les for å få siste informasjon!
• Tips for bruk av simulatoren
• Simulatoren: nivreg_flistank.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.

Beskrivelse av systemet som simuleres

Et reguleringssystem for nivået av flis i en flistank simuleres. (Systemet likner på et nivåreguleringssystem ved Södra Cells papirmassefabrikk på Tofte.) Hensikten med nivåreguleringen er å holde nivået mellom spesifiserte grenser: Det er viktig at nivået ikke er for høyt, for ellers vil flisen ikke bli tilstrekkelig forvarmet (av damp som tilføres fra et annet prosessavsnitt) og dessuten vil tanken kunne bli helt full. Det er også viktig at nivået ikke er for lavt, for ellers vil det bli dampgjennomslag, hvilket medfører at den sulfatholdige dampen går til atmosfæren - til stor sjenanse for omgivelsene (pga. lukten).

Her er en prosessmodell (kjennskap til prosessmodellen er imidlertid ikke nødvendig for å utføre oppgavene nedenfor). Parameterverdiene er tilgjengelige via simulatorens frontpanel.

Målene med oppgavene

Målene med oppgavene gitt nedenfor er

• å gi en forståelse av hvordan et automatisk reguleringssystem basert på tilbakekopling virker, og hvilke fordeler dette har sammenliknet med styring med konstant pådrag
• å gi en forståelse av egenskapene ved ulike regulatorfunksjoner, nemlig PID og av/på-regulator
• å gi ferdigheter i innstilling av regulatorparametre
• å gi innsikt i hvordan forskjellige parametre (i regulatoren, prosessen og måleutstyret) påvirker reguleringssystemets dynamiske egenskaper.

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

Motivasjon

Reguleringssystemer er essensielle i industrielle prosesser siden det er viktig og nyttig å kunne styre prosessvariable slik at de holder seg på eller tilstrekkelig nær ønskede 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 være at prosessen befinner seg i det normale eller nominelle arbeidspunkt, som er definert slik:

• Referansen er 10 meter.
• Utstrømningen av flis er w_ut = 1500 kg/min = w_ut,nom.
• Det nominelle pådraget er u_nom =  45%, som er den verdien av skruepådraget som vil gi en innstrømning som er lik ovennevnte nominelle utstrømning.

I oppgavene om PID-regulering: Sett referansevektene w_p og w_d lik 1 og faktoren a lik 0,1 (disse verdiene er også forhåndsverdiene på frontpanelet). PID-regulatoren skal ha anti-windup.

1. Først: Ingen regulator! Sett regulatoren i manuell modus (det fins en bryter for dette i regulatorfeltet på frontpanelet). Sett på et sprang i utstrømningen, f.eks. fra 1500 til 1800 kg/min, hvilket medfører at styresignalets verdi, u_nom, ikke lenger er tilpasset forstyrrelsens (utstrømningens) verdi, w_ut,nom. Hvordan blir responsen i nivået? Er styring med fast pådrag (u_nom =  konstant) en akseptabel styringsmetode for denne prosessen?

    

2. Så: Manuell regulering (du skal være regulator!) Sett regulatoren i manuell modus (det fins en bryter for dette i regulatorfeltet på frontpanelet). Sett på et sprang i utstrømningen, f.eks. fra 1500 til 1800 kg/min. Kompenser manuelt for denne forstyrrelsen ved å styre pådraget (juster u_nom fortløpende). Hvor lang tid bruker du på å bringe nivået tilbake til referansen med et stasjonært reguleringsavvik på mindre enn 0,1m? Er det noen ulemper knyttet til å bruke mennesker som regulatorer?

    

3. Automatisk regulering med av/på-regulator: Av/på-regulatoren er en simpel automatisk regulator basert på tilbakekopling. Sett regulatoren i automatisk modus. Sett i utgangspunktet av/på-regulatorens amplitude A lik 10 %. Gi w_ut og u_nom nominelle verdier (angitt ovenfor).
   1. Hvordan arter responsen i nivået seg? Forklar!
   2. Sett på et sprang i utstrømningen fra 1500 til 1800 kg/min. Hvordan blir responsen i nivået? Forklar! Hva skjer med responsen i nivået dersom du øker A (fra 10%)? Klarer du å oppnå at reguleringsavviket blir mindre enn 0,1m?

    

4. Automatisk regulering med PID-regulator: Innstilling av regulatorparametrene: I oppgavene ovenfor har dere sett at det er visse ulemper knyttet til styring med fast pådrag, manuell regulering og automatisk regulering med av/på-regulator. Kanskje automatisk regulering med en kontinuerlig regulering med PID-regulator vil virke bedre? 
   1. Finn parametrene for en PID-regulator vha. Åstrøm-Hägglund-metoden (relémetoden). Du kan sette reléfunksjonens eller av/på-funksjonens amplitude A lik 5%. Du vil se at responsen i nivået ikke blir sinusformet, men du kan se litt stort på det og late som om responsen er sinusformet (dvs. du leser av amplituden i svingningene på vanlig måte).
      Tips: Husk at E, som inngår i formelen for kritisk forsterkning, skal ha enhet % (måleenheten).
      
   2. Finn parametrene også vha. Ziegler-Nichols' lukket-sløyfe-metode. Blir parametrene noenlunde som i deloppgave a?
      
      

      ---

      I de etterfølgende oppgavene skal du bruke en PID-regulator, som i utgangspunktet kan ha parameterverdiene funnet i deloppgave 4a eller 4b.

      Dersom du ikke har utført oppgave 4, kan du bruke disse PID-parametrene:

      Kp = 1,8, Ti = 9 min = 540 sek, Td = 2,25 min = 135 sek.

       

5. 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 nivået svinger seg inn. Synes reguleringssystemet å ha tilfredsstillende stabilitet med PID-regulatoren?
   
   
6. Reguleringsegenskaper (kompenseringsegenskaper):
   1. Hvor stort blir det stasjonære 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 å bringe nivået tilbake til referansen med et stasjonært reguleringsavvik på mindre enn 0,1m (etter spranget i w_ut som angitt ovenfor)? Hvilken regulator er best i så 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 nå det stasjonære avviket etter et sprang i forstyrrelsen? Null?
   
   
   
7. Følgeegenskaper: Hvor stort blir det stasjonære reguleringsavviket med PID-regulator etter et sprang i referansen?
   
   
8. Virkemåten for P-, I- og D-leddet:  Observer hvordan de forskjellige pådragsleddene arbeider (det er en egen knapp under pådragsdiagrammet for å få vist pådragsleddenes tidsresponser) ved sprang i forstyrrelsen.
   
   
9. Reguleringssystemets stabilitet ved parameterendringer: Undersøk 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 gjennomføres uavhengig av hverandre, dvs. at parameterverdiene skal stilles tilbake til forhåndsverdiene når eksperimentet er gjennomført.
   1. Regulatorforsterkningen K_p økes (mye).
   2. Integraltiden T_i reduseres (mye).
   3. Derivattiden T_d økes (mye).
   4. Skrueforsterkningen K_u økes (mye).
   5. Regulatorens samplingsintervall Ts_reg, som stilles inn øverst på frontpanelet) økes (mye).
   6. Dødtiden (transportforsinkelsen) t_d økes (mye).
   7. Tverrsnittsarealet A reduseres (mye).
   8. Måleforsterkningen K_m,LT økes (mye).
   9. Referanseforsterkningen K_m,LC økes (mye).

    

[KYBSIM] [TechTeach]

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