TEMPERATURREGULERING

Beskrivelse av systemet som simuleres

Et reguleringssystem for temperaturen i en tank med kontinuerlig gjennomstrømning av vann simuleres. Vannet varmes opp av et heteelement, som styres av pådraget fra regulatoren. Temperaturen måles av en temperaturmåler, som i praksis kan være f.eks. et Pt100-element (som er en varmefølsom motstand).

Prosessmodellen som simulatoren er basert på, er en 1. ordens modell basert på energibalanse under antakelse av homogene forhold i tanken. Prosessmodellen inneholder også en tidsforsinkelse som representerer den tidsforsinkelsen som det alltid vil være fra en eksitasjon i varmeelementet til responsen i temperaturmålepunktet. Dessuten inneholder simulatoren en 1. ordens transferfunksjon som representerer en tidskonstant i varmeelementet. Her er prosessmodellen (kjennskap til prosessmodellen er imidlertid ikke nødvendig for å utføre oppgavene nedenfor). Parameterverdiene er vist på simulatorens frontpanel.

Mål

  • Å få en forståelse av hvordan et automatisk reguleringssystem basert på tilbakekopling virker og hvilke fordeler dette har sammenliknet med styring med konstant pådrag
  • Å få en forståelse av egenskapene ved ulike regulatorfunksjoner, nemlig PID og av/på-regulator
  • Å få ferdigheter i innstilling av regulatorparametre
  • Å få 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.

I industrien brukes temperaturregulering bl.a. på reaktorer og varmevekslere. Det er også temperaturregulering i drivhus.

Oppgaver

Prosessens normale arbeidspunkt defineres slik:

  • Tanktemperaturen T er 50 grader C.
  • Innløpstemperaturen Tinn er 20 grader C.

Standardverdiene for prosessparametrene er vist på dette bildet av simulatorens frontpanel.

Med mindre annet oppgis, skal oppgavene utføres mens simulatoren kjører.

  1. Først: Regulering med konstant pådrag. Sett regulatoren i manuell modus. Finn det nominelle pådraget u0 eksperimentelt. Endre så forstyrrelsen Tinn fra 20 til 15 grader C. Hvor stort blir det stasjonære reguleringsavviket?

     

  2. Tilbakekoplet regulering med deg som regulator! Tilbakestill simulatoren til forhåndsverdiene (menyvalg: Operate / Reinitialize All to Default), men regulatoren skal fortsatt stå i manuell modus. Endre forstyrrelsen Tinn fra 20 til 15 grader C, og styr prosessen via det nominelle pådraget u0. Klarer du å oppnå null stasjonært reguleringsavvik?

     

  3. Automatisk regulering med av/på-regulator: Bruk av/på-regulatoren med amplitude A = 10%. Tilbakestill simulatoren til forhåndsverdiene (menyvalg: Operate / Reinitialize All to Default), men pass på at regulatoren står i auto-modus og at du bruker av/på-regulator. Still inn u0 på verdien funnet i oppgave 1.
    1. Hvordan arter reguleringen seg?
    2. Endre forstyrrelsen Tinn fra 20 til 15 grader C. Hvordan arter reguleringen seg? Hvordan kan du få temperaturen til igjen å svinge (symmetrisk) om referansen (med bruk av av/på-regulator)?

     

  4. Automatisk regulering med PID-regulator: Innstilling av regulatorparametrene: I oppgavene ovenfor har du sett at det er visse ulemper knyttet til styring med konstant pådrag 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).
      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. Hvis du utførte oppg. 4a: Blir parametrene noenlunde som i deloppgave 4a?

    I de etterfølgende oppgavene skal du bruke en PID-regulator, som i utgangspunktet kan ha parameterverdiene funnet i oppgave 4 (deloppgave a eller b). Dersom du ikke har utført oppgave 4, kan du bruke disse PID-parametrene:

    Kp = 6,7, Ti = 250s, Td = 63s

     

  5. Kompenseringsegenskaper: Bruk PID-regulator. Tilbakestill simulatoren til forhåndsverdiene (menyvalg: Operate / Reinitialize All to Default). Endre forstyrrelsen Tinn fra 20 til 15 grader C. Hvor stort blir det stasjonære reguleringsavviket?

  6. Følgeegenskaper: Sett på et sprang i referansen. Hvor stort blir det stasjonære reguleringsavviket?

  7. Reguleringssystemets stabilitet ved parameterendringer: Tilbakestill simulatoren til forhåndsverdiene (menyvalg: Operate / Reinitialize All to Default). 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 Kp økes (mye).
    2. Integraltiden Ti reduseres (mye).
    3. Derivattiden Td økes (mye).
    4. Effektforsterkningen Ke økes (mye).
    5. Massestrømmen w reduseres (mye).
    6. Måleforsterkningen Km,TT økes (mye). Måleforsterkningen er forholdet mellom temperaturmåling i % og temperatur i grader C. Måleforsterkningen endres ved å endre måleområdet. Dersom du endrer måleområdet, må du også foreta tilsvarende endring av enhetsomregningen av temperaturreferansen fra grader C til %.

[KYBSIM] [TechTeach]

Oppdatert 29.3.06. Utviklet av Finn Haugen. E-postadresse: finn@techteach.no.