HSN

IA3112 Automatiseringsteknikk

EK3114 Automatisering og vannkraftregulering

Laboppgave 5:

Regulatorinnstilling

Målet med oppgaven

Å få erfaring i innstilling av en PI-regulator.

Utstyr

Organisering

Oppgaven gjennomføres i studentgrupper.

Tid for gjennomføring er angitt på emnets hjemmeside. Varighet: 4 timer, kl 1215-1600 (men en kan jobbe med utstyret fram til kl 1700 dersom det er behov for det).

Ansvarlig for oppgaven: Emneansvarlig (FH).

Veiledere: Studentassistenter og emneansvarlig.

Vurdering (godkjenning)

Oppgaven er obligatorisk. Hver gruppe skal innen kl. 18 labdagen laste opp en labjournal i emnets Canvasrom (det er ikke nødvendig å laste opp LabVIEW-programmet dere bruker).

Labarbeidet vurderes som godkjent/ikke godkjent ut fra deltakelse på lab og innlevert journal.

Om labjournalen

Her er standard journalforside. Labarbeidet vurderes som godkjent/ikke godkjent ut fra deltakelse på laben og innlevert journal.

Krav til journalen (som må skrives under selve labarbeidet):

  • Pdf
  • Kortfattet
  • Norsk eller engelsk.
  • Innhold: Skjermbilder med en kort tekst til hva bildene viser. Samme overskrifter som i oppgaveteksten.
  • Pdf-dokumentet skal ha filnavn ihht denne malen: "IA3112_Laboppgave1_Haugen_Åsen_Dalen.pdf" eller EK3114_Laboppgave1_Haugen_Åsen_Dalen.pdf.

Forberedelser

Det er en fin forberedelse (en sparer tid på labdagen) dersom dere prøver de ulike metodene for regulatorinnstilling på simulatoren (se nedenfor) før labdagen.

Oppgaver

Under eksperimenteringen kan varmluftprosessens vifte kjøres på høyeste hastighet. Temperatursettpunktet kan i utgangspunktet settes lik 35 grader C.

Programmet air_heater_temperature_control.vi i LLB_air_heater_temperature_control.llb inneholder et PID-temperaturreguleringssystem for simulert varmluftprosess. I VI'et er det lagt inn IO-funksjoner for tilkopling til virkelig varmluftprosess. Disse funksjonene er i utgangspunktet deaktivert ved at de er plassert inne i Diagram Disabled Structure-strukturer. Aktivering ("enabling") av innholdet i slike strukturer kan gjøres via høyreklikk på strukturens konfigureringsfelt (øverst i strukturen).

  1. Bi kjent med programmet air_heater_temperature_control.vi:
    1. Prøv å forstå de enkelte delene av ovennevnte program.
    2. Gjør dere kjent med PID Advanced-funksjonen via Help. (Ikke alle terminalene på denne funksjonen er tilkoplet eksterne verdier, dvs. at default-verdiene da gjelder. Terminalene "Linearity" og "Setpoint range" kan dere godt neglisjere.)
    3. Slett PID Advanced-funksjonen (blokka), og legg den inn igjen fra den aktuelle paletten (uten å bruke copy-paste).
     
  2. Simulering med regulatoren i manuell modus: Kjør programmet i simulatormodus (med IO-funksjonene deaktivert). Når programmet benyttes for simulering, kan dere gjerne sette sim_speed-faktoren på Sim settings-tab'en større enn 1 (for å spare tid). Styr varmeelementet manuelt med PID-regulatoren i manuell modus. Er responsen i T_out som forventet (ihht. modellen)? Sjekk spesielt at responsen er i overensstemmelse med verdiene av tidsforsinkelsen, tidskonstanten, forsterkningen og omgivelsestemperaturen som angitt på tab'en "Model params".
     
  3. Aktiver IO-funksjonene (den fysiske varmluftprosessen må nå være tilkoplet). Sjekk at IO-funksjonene fungerer ved å styre varmluften manuelt, hvilket skal gi en eller annen respons i målt temperatur. (Det skal ikke gjennomføres noen spesielle eksperimenter under dette punktet (punkt 3) i oppgaven.)
     
    Nedenstående oppgaver skal utføres både på simulert og virkelig prosess (eksperimentene på simulert prosess kan gjerne kjøres før selve labdagen, med modellparametrene som angitt på Model Params-tab'en).
     
  4. Modelltilpasning: Tilpass modellen til den aktuelle varmluftprosessen, men ikke bruk mye tid på modelltilpasningen (default-verdiene på Model Params-tab'en er ganske brukbare verdier).
     
  5. Tilfeldig PI-innstilling: Velg "tilfeldige" verdier for Kp og Ti (dere kan sette Td lik null). Hvordan oppfører reguleringssystemet seg med denne PI-innstillingen? (Dere kan endre settpunktet som et sprang.) Ser det ut til å være nødvendig at regulatoren (Kp og Ti) er stilt inn på en god måte?

  6. Regulatorinnstilling med Ziegler-Nichols' lukket sløyfe-metode:
    1. Still inn PI-regulatoren vha. Ziegler-Nichols' lukket sløyfe-metode. Er reguleringssystemets stabilitet ok etter at regulatoren er innstilt? (Stabiliteten kan testes ved å endre settpunktet som et sprang.) Obs: Unngå at pådraget når maksimal- og minimalverdiene (5 hv 0 V) under eksperimenteringen i ZN-metoden, ellers risikerer dere at den kritiske regulatorforsterkningen får feil verdi. 
    2. Still inn PI-regulatoren ihht. Relaxed ZN-metoden. Er reguleringssystemets stabilitet bedre enn med ZNs opprinnelige formler for regulatorinnstilling? 
       
  7. Regulatorinnstilling med Skogestads metode:
    1. Still inn PI-regulatoren vha. Skogestads metode (kap. 10.5.3 i læreboka). Er reguleringssystemets stabilitet ok (når regulatoren er innstilt)? Er stabiliteten bedre eller dårligere enn for de to ZN-metodene?
    2. Ihht. Skogestad-metoden (slik den er beskrevet i kap. 10.5.3 i læreboka) skal reguleringssystemets tidskonstant, Tc, være lik prosessens tidsforsinkelse, ideelt sett. Finn Tc fra et eksperiment. Sammenlikne den eksperimentelle Tc-verdien med den spesifiserte (teoretiske) Tc-verdien.

  8. Regulatorens oppførsel med aktivt D-ledd:
    Velg Skogestad-innstillingen funnet ovenfor. Aktiver D-leddet ved å sette Td = Ti/4, som angir et typisk forhold mellom Td og Ti. Hvordan oppfører reguleringssystemet seg nå som D-leddet er aktivt (se spesielt på pådragets oppførsel)? Fjern målefilteret ved å sette filtertidskonstanten lik 0. Hvordan oppfører nå reguleringssystemet (pådraget) seg? Fra dette eksperimentet: Hva er problemet med å ha et aktivt D-ledd i PID-regulatoren?

Oppdatert 11.10 2017 av Finn Aakre Haugen, teacher. E-mail: Finn.Haugen@usn.no