HSN

IA3112 Automatiseringsteknikk

EK3114 Automatisering og vannkraftregulering

Laboppgave 6 (frivillig):

Stabilitet av reguleringssystem. Foroverkopling


Målene med oppgaven

Laboppgaven består av to uavhengige deler: Stabilitet og foroverkopling.

Målene med oppgaven er:
  • Å observere og forstå hvordan visse parameterendringer kan skape stabilitetsproblemer for tilbakekoplede reguleringssystemer.
  • Implementering av eksperimentell foroverkopling.

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 frivillig. Dersom gruppen ønsker det, kan den allikevel innen kl. 18 labdagen laste opp en labjournal i emnets Canvasrom for vurdering (det er ikke nødvendig å laste opp LabVIEW-programmet dere bruker).

Om labjournalen

Her er standard journalforside. 

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

Ingen spesielle (ut over kunnskaper og ferdigheter ihht. emnets undervisningsplan).

Oppgaver

Temperatursettpunktet kan i utgangspunktet settes lik 35 grader C (men skal varieres i løpet av oppgaven). I utgangspunktet kan dere stille inn luftstrømmen til maksimal verdi.

Oppgaven tar utgangspunkt i et (forhåpentligvis) velfungerende PI(D)-reguleringssystem som gruppen benyttet i en tidligere laboppgave (gjerne LLB_air_heater_temperature_control.llb fra laboppgave 5). Bruk gjerne følgende regulatorinnstilling, som bør virke på alle prosessenhetene: Kp = 0,5 og Ti = 20 s. Evt. kan dere stille inn regulatoren selv.

  1. Stabilitetsanalyse:
    Finn reguleringssystemets forsterkningsmargin, GM, og fasemargin, PM. Har GM og PM akseptable verdier?

  2. Faktorer som påvirker reguleringssystemets stabilitet:
    Undersøk eksperimentelt hva som skjer med reguleringssystemets stabilitet ved parameterendringene angitt i deloppgavene nedenfor. Prøv å forklare den observerte virkningen som hver av endringen har på reguleringssystemets stabilitet. Dere kan selv velge hvor store parameterendringene skal være, men en endring må være så stor at effekten av endringen er tydelig. Det kan bli nødvendig å eksitere reguleringssystemet med et sprang i settpunktet for å kunne se systemets dynamikk/stabilitetsegenskap.
    1. Et lite "forskningsspørsmål" til å begynne med: Bør dere stille tilbake til opprinnelig parameterverdi mellom hvert eksperiment?
    2. Økning av regulatorforsterkningen.
    3. Reduksjon av integraltiden.
    4. Økning av målefilterets tidskonstant (en betydelig økning kan være nødvendig for å kunne se noen virkning av økningen)
    5. Omkopling av regulatoren fra reversmodus til direktemodus. (Regulatoren har ingen revers/direkte-svitsj, men direktemodus kan realiseres med negativ regulatorforsterkning.)
    6. Reduksjon av luftstrømmen gjennom prosessen.
       
  3. Foroverkopling:
    Varierende luftstrøm kan betraktes som en forstyrrelse på utløpstemperaturen. Luftstrømmen kan måles (indirekte) ved å måle innstillingen av den blå skruen som brukes til å manipulere luftstrømmen. Skruen er tilkoplet et potensiometer (som er en variabel motstand), og spenningsfallet over potensiometeret er tilgjengelig på bøssinger på varmluftprosessen. Spenningen kan derfor brukes som en måling av luftstrømmen (forstyrrelsen). Det blir derfor ialt to AI-signaler som skal leses inn i LabVIEW (temperaturmålingen og luftstrømmålingen). Innlesing av multiple AI-signaler er forklart fra tidspunktet 27:30 i videoen Analog IO (input and output) with LabVIEW and NI USB-6008.

    1. Implementer eksperimentell foroverkopling basert på interpolering mellom sammenhørende sett (eller par) av forstyrrelsesmåleverdier og pådragsverdier funnet med PI-regulatoren, jf. kap. 7.2. i læreboka. Foroverkoplingen dere implementerer, skal komme i tillegg til tilbakekoplingen, dvs. brukes sammen med PID-regulatoren. Husk å endre output range for PID-regulatoren slik at PID-regulatoren tillates å gi både positive og negative bidrag til pådragsssignalet. Interpoleringen kan implementeres vha. den innebygde LabVIEW-funksjonen  Interpolate 1D (eksempel på bruk).
    2. Undersøk om temperaturreguleringen er bedre med foroverkopling enn uten (men med PI-regulering i begge tilfeller). Det er tilstrekkelig om dere gjør en kvalitativ vurdering av om reguleringen blir bedre med foroverkopling (dvs. bare sammenlikner plott). De som ønsker det og har tid, kan også foreta en kvantitativ undersøkelse ved å beregne IAE-verdien over et fast (og selvvagt) tidsintervall for de to reguleringsstrukturene (med og uten foroverkopling). IAE-verdien kan beregnes vha. den innebygde funksjonen Integral x(t) PtByPt i LabVIEW.

Oppdatert 3.11 2017 av Finn Haugen, teacher. E-mail: Finn.Haugen@usn.no