Høgskolen i Buskerud: Fag SESM3401 Styring av mekatroniske systemer

Prosjektoppgave:

Hardware-in-the-loop (HIL-) simulering

Innledning

Hardware-in-the-loop-simulering eller HIL-simulering er å bruke en fysisk styringsenhet - f.eks. en industriell PID-regulator eller en PLS eller en prototype av en egenutviklet styringsenhet - til å regulere eller styre en simulert prosess. Hensikten med HIL-simulering kan være testing eller opplæring. Det er vanlig terminologi å betegne styringsenheten for ECU - Electronic Control Unit. Simulatoren må kjøre i sann tid eller i skalert sann tid. En slik simulator er gjerne implementert i en PC. Aktuelle simuleringsverktøy er LabVIEW Simulation Module og Simulink.

I denne laboppgaven skal dere utføre HIL-simulering der regulatoren er industriregulatoren Fuji PYZ5, mens prosessimulatoren skal implementeres i LabVIEWs Simulation Module.

Utstyr

Vær 100% sikre på at ledninger koples korrekt. Feilkoplinger kan medføre at utstyr blir ødelagt.

Oppgaver

  1. Les igjennom følgende deler av regulatorens manual før dere begynner med det praktiske arbeidet. (Sidenummeret som er angitt nedenfor, er sidenummeret benyttet i dokumentet og ikke sidenummeret som benyttes i Acrobat Reader.): 1, 2, 3, 4, 10, 11, 17, 18. Regulatorens inngangssignalområde er 1-5 V, og utgangsspenningsområdet er 0-5 V.
  2. Konfigurer regulatoren som angitt nedenfor. Bruk manualen til å finne informasjon om de enkelte parametrene. Parametrene nedenfor står i samme rekkefølge som i regulatoren.
    • Set the PID parameters initially as follows: Proportional band is set to 100. (This is just an initial guess, and the control system may not behave well. The behaviour should be ok after the controller has been tuned, cj. Task 8 below.) Integral time is set to 0 (which is interpreted as deactivating the integral term). Derivative time is set to 0.
    • Set the control action to be reverse action. (Parameter P-n1, cf. Table 6-3 on page 14. Use the "Standard" definition in Table 6-3. This standard is indicated in bold frames in the table. The two alternative values of this parameter is thus 0 and 17.)
    • Define the input signal type (measurement) as 1-5 V. (Parameter P-n2, cf. the table on page 11).
    • Define the input signal range as 0-100% corresponding to 1-5 V. (Parameters P-SL and P-SU, cf. Table 11-1 on page 23.)
    • The lowpass input (measurement) filter having time constant of 1 sec. (Parameters P-dF, cf. Table 6-1 on page 10.)

  3. Implementer følgende: PID-regulatoren Fuji PYZ5 skal regulere en simulert prosess som kjører i sann tid på PC'en. Regulatoren skal være koplet til den simulerte prosessen via I/O-enheten USB-6008/6009. Prosessen skal være i form av en 1. ordens transferfunksjon med forsterkning 1 og tidskonstant 2 i serie med en tidsforsinkelse på 2 sek. Legg inn en simulert prosessforstyrrelse som skal kunne stilles inn via frontpanelet. Forstyrrelsen skal adderes til pådragssignalet (det er typisk i virkelige prosesser at prosessforstyrrelser angriper prosessen på "samme" sted dynamisk sett som der pådraget virker). Legg også inn simulert random målestøy i simulatoren (velg selv parametre for denne støyen). Simulatoren skal implementeres i LabVIEW Simulation Module. Tidsskrittet skal være 0,1 sek. Pådraget og prosessutgangen skal plottes i hvert sitt diagram. Bruk %-verdier for signalene (0-100 % for spenningsområdet for pådrag og 0-100 %  for spenningsområdet for målingen).

  4. Still inn PID-regulatoren med den innebygde auto-tuneren. (Informasjon om auto-tuneren fins på side 3.) Hva er verdiene av PID-parametrene Kp, Ti og Td etter auto-tuningen? Er reguleringssystemets stabilitet tilfredsstillende etter auto-tuningen?

  5. Endre forstyrrelsen f.eks. som et sprang. Observer hvordan PID-regulatoren kompenserer for forstyrrelsen. Klarer regulatoren å bringe prosessutgangen tilbake til settpunktet etter spranget i forstyrrelsen?

  6. Hvordan går det med stabiliteten av reguleringsssystemet dersom prosessens tidsforsinkelse øker?

  7. Hva skjer med reguleringssystemets stabilitet dersom regulatoren settes i direktemodus (direct action mode)?

Oppdatert 29.10.07 av Finn Haugen, lærer. E-postadresse: finn@techteach.no.