DIDAKTINI PROCESNI MODUL tudent Emanuel osi Mentor prof

  • Slides: 48
Download presentation
DIDAKTIČNI PROCESNI MODUL Študent: Emanuel Čosič Mentor: prof. Nenad Muškinja Somentor: prof. Boris Tovornik

DIDAKTIČNI PROCESNI MODUL Študent: Emanuel Čosič Mentor: prof. Nenad Muškinja Somentor: prof. Boris Tovornik

Predstavitev ter opis regulacijskega sistema �Didaktični = učni; �Izvedba regulatorja je v diskretni obliki;

Predstavitev ter opis regulacijskega sistema �Didaktični = učni; �Izvedba regulatorja je v diskretni obliki; �Regulacijski sistem sestavljajo tiskano vezje, kartica NI USB 6009 ter računalnik s programsko opremo Lab. View;

Lastnosti regulacijskega sistema �Nastavitev željene vrednosti; �Prikaz temperature okolice ter št. vrtljajev motorja; �Prikaz

Lastnosti regulacijskega sistema �Nastavitev željene vrednosti; �Prikaz temperature okolice ter št. vrtljajev motorja; �Prikaz željene, procesne ter krmilne vrednosti; �Prikaz porabe toka; �Ročni vklop gretja oz. hlajenja; �Ročna nastavitev ojačanja izhodne napetosti temperaturnih senzorjev; �Možnost preklopa krmiljenja bremena med analognim in digitalnim izhodom;

Blokovna shema regulacijskega sistema

Blokovna shema regulacijskega sistema

Kartica NI USB 6009 �Jedro tiskanega vezja je kartica NI USB 6009, okoli katere

Kartica NI USB 6009 �Jedro tiskanega vezja je kartica NI USB 6009, okoli katere je zgrajeno vezje in prilagojeno zahtevam kartice. �Za zajem napetosti so uporabljeni analogni vhodi AI, za krmiljenje pa analogni izhod AO in digitalni izhodi DO.

Sestava tiskanega vezja �Tiskano vezje je razdeljeno na napajalni, merilni in krmilni del. �Napajalni

Sestava tiskanega vezja �Tiskano vezje je razdeljeno na napajalni, merilni in krmilni del. �Napajalni del skrbi za konstantno stabilizirano napetost, ki je prisotna na vseh merilnih in krmilnih komponentah tiskanega vezja; �Merilni del je namenjen merjenju temperature z uporabo temperaturnega senzorja (LM 35), porabe toka v vezju preko soupora ter števila vrtljajev ventilatorja; �Krmilni del je namenjen za krmiljenje grelca in ventilatorja preko tranzistorskih vezav (zvezno ali PWM); �Na podlagi vezalne sheme se izdela tiskanina v PCB programskem okolju.

Vezalna shema tiskanega vezja

Vezalna shema tiskanega vezja

Izdelava tiskanega vezja � Tiskano vezje se izdela v PCB programu (Altium, Eagle, .

Izdelava tiskanega vezja � Tiskano vezje se izdela v PCB programu (Altium, Eagle, . . ). � Izbrana tehnologija je THT (Through Hole Technology). � Povezave na ploščici so signalne in krmilne, ki so na obeh straneh. � Po končanem procesu izdelave ploščice se na njo pritrdijo elementi.

Izdelava ter konfiguracija zank v Lab. View-u � Preden se izdela algoritem regulatorja, se

Izdelava ter konfiguracija zank v Lab. View-u � Preden se izdela algoritem regulatorja, se najprej izdela serija podpornih zank, ki omogočajo komunikacijo algoritma z vezjem. � Komunikacija med fizičnim in programskim okoljem poteka preko prehodov, ki so v Lab. View programu kot DAQ blokci. � Z nastavitvijo le-teh določimo kakšne vrednosti (in v kakšnem območju) preko določenih vhodov zajemamo ter katere izhode krmilimo.

Zajemanje in prikaz vrednosti

Zajemanje in prikaz vrednosti

Čelna plošča za prikaz merjenih signalov

Čelna plošča za prikaz merjenih signalov

Čelna plošča regulatorja

Čelna plošča regulatorja

Zanka za krmiljenje analognega izhoda

Zanka za krmiljenje analognega izhoda

Zanka za krmiljenje digitalnega izhoda preko PWM

Zanka za krmiljenje digitalnega izhoda preko PWM

Čelna plošča za krmiljenje izhodov

Čelna plošča za krmiljenje izhodov

Izdelava paralelnih algoritmov ter načrtovanje parametrov PID regulatorja �Uporabljena algoritma bazirata na enačbi, ki

Izdelava paralelnih algoritmov ter načrtovanje parametrov PID regulatorja �Uporabljena algoritma bazirata na enačbi, ki je osnovna za regulacijske sisteme: �Ker uporabljamo diskretni regulator, zgornjo enačbo diskretiziramo:

Realizacija algoritmov �Program Lab. View omogoča izvedbo algoritmov na več načinov, glede na različico

Realizacija algoritmov �Program Lab. View omogoča izvedbo algoritmov na več načinov, glede na različico programa. �Izvedba je možna preko: -Point By Point (Pt. By. Pt) integracijske in diferencialne blokovne funkcije; - Simulacijskih blokcev v S-prostoru; - Funkcije Formula Node; - Blokca PID.

Point By Point (Pt. By. Pt) blokovna funkcija

Point By Point (Pt. By. Pt) blokovna funkcija

Simulacijski blokci v S-prostoru

Simulacijski blokci v S-prostoru

Funkcija Formula Node

Funkcija Formula Node

Blokec PID �V novejših različicah programa, kot je Lab. View 10, je funkcija PID

Blokec PID �V novejših različicah programa, kot je Lab. View 10, je funkcija PID že vgrajena. �Funkcija olajša delo in skrajša čas celotne izdelave.

Realizacija algoritmov � V našem primeru ni bila uporabljena nobena od zgoraj naštetih možnosti

Realizacija algoritmov � V našem primeru ni bila uporabljena nobena od zgoraj naštetih možnosti za realizacijo PID-algoritma. � Algoritmi so realizirani z uporabo numeričnih metod. Namen takšne izdelave je imeti algoritem, izdelan po meri, ki ga je možno spreminjati, prilagajati in dograjevati. � Ker je tudi s takšno izvedbo možnih več načinov, smo se osredotočili na dve numerični različici algoritma, ki definirata strukturo zanke. To sta: - Idealni paralelni algoritem; - Modificirani paralelni algoritem po Eulerjevi pravokotniški integraciji. � Ti dve izvedbi algoritma sta poleg vezave medsebojno zelo različni. Regulacijski izhod se pri eni obnaša drugače kot pri drugi, ni možno uporabiti ene in iste metode za pridobivanje parametrov pri obeh hkrati ter dobljene parametre za en algoritem ni možno uporabiti za drugi algoritem.

Idealni paralelni algoritem �Enačba idealnega paralelnega algoritma: �Blokovna shema:

Idealni paralelni algoritem �Enačba idealnega paralelnega algoritma: �Blokovna shema:

�Vezalna shema idealnega paralelnega algoritma:

�Vezalna shema idealnega paralelnega algoritma:

Modificirani paralelni algoritem �Enačba modificiranega paralelnega algoritma: �Blokovna shema:

Modificirani paralelni algoritem �Enačba modificiranega paralelnega algoritma: �Blokovna shema:

�Vezalna shema modificiranega paralelnega algoritma:

�Vezalna shema modificiranega paralelnega algoritma:

Načrtovanje parametrov PID regulatorja �Pridobivanje parametrov poteka preko Ziegler-Nichols (ZN) metod za odprtozančne in

Načrtovanje parametrov PID regulatorja �Pridobivanje parametrov poteka preko Ziegler-Nichols (ZN) metod za odprtozančne in zaprtozančne sisteme. �Pri obeh algoritmih je možno določiti parametre preko ZN metode za odprtozančne sisteme. �Ker lahko z uporabo idealnega paralelnega algoritma sistem zanihamo, lahko uporabimo ZN metodo za pridobivanje parametrov za zaprtozančne sisteme. �Modificirani paralelni algoritem zaradi njegove strukture sistema ne moremo zanihati.

�Za pridobivanje parametrov na odprtozančnemu sistemu, je potrebna karakteristika stopničnih odzivov. �To dosežemo s

�Za pridobivanje parametrov na odprtozančnemu sistemu, je potrebna karakteristika stopničnih odzivov. �To dosežemo s postopnim povečevanjem krmilne vrednosti (na vsakih 10%) na izhodu ter hkrati opazujemo spremembe procesne veličine. 120 Stopnični odziv 100 80 60 PV CV 40 20 1 56. 5 112 167. 5 223 278. 5 334 389. 5 445 500. 5 556 611. 5 667 722. 5 778 833. 5 889 944. 5 1000 1055. 5 1111 1166. 5 1222 1277. 5 1333 1388. 5 1444 1499. 5 1555 1610. 5 1666 1721. 5 1777 1832. 5 1888 1943. 5 1999 2054. 5 2110 2165. 5 2221 2276. 5 0

�Na podlagi stopničnih odzivov je sestavljena karakteristika regulacijskega sistema. �Iz karakteristike je razvidna nelinearnost

�Na podlagi stopničnih odzivov je sestavljena karakteristika regulacijskega sistema. �Iz karakteristike je razvidna nelinearnost sistema. Regulator 90 80 70 PV 60 50 40 Regulator 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 CV 60 70 80 90 100

Nelinearnost regulacijskega sistema �Nelinearnost sistema predstavlja velik problem, posebej pri večjih temperaturah. �Ta izhaja

Nelinearnost regulacijskega sistema �Nelinearnost sistema predstavlja velik problem, posebej pri večjih temperaturah. �Ta izhaja iz tehničnih lastnosti keramičnega upora, ki je uporabljen kot grelec ter ventilatorja. �Zaradi nelinearnosti se pridobivanje parametrov regulatorja po ZN metodi odprtozančnega in zaprtozančnega sistema opravlja dvakrat, in to tedaj, kadar se kontrolna veličina poveča iz 30% na 40% ter iz 60% na 70%. �V nasprotnem primeru bi to počeli le enkrat, kjer bi parametri veljali za celoten spekter.

Načrtovanje parametrov z uporabo idealnega paralelnega algoritma na odprtozančnemu sistemu �Parametre določamo s pomočjo

Načrtovanje parametrov z uporabo idealnega paralelnega algoritma na odprtozančnemu sistemu �Parametre določamo s pomočjo tangente, kjer je možno določiti mrtvi čas tz in čas vzpona tv. �Časa se določita z merjenjem časov t 0, t 1 in t 2. �Naslednji korak je izračun ojačanja regulatorja ter izračun parametrov PID regulatorja: �S podanimi parametri so zajeti odzivi regulatorja.

�Prvi sklop parametrov (CV=40%):

�Prvi sklop parametrov (CV=40%):

497. 5 482 79 63. 5 48 32. 5 17 1. 5 497. 5

497. 5 482 79 63. 5 48 32. 5 17 1. 5 497. 5 482 466. 5 451 435. 5 420 404. 5 389 373. 5 358 342. 5 327 311. 5 296 280. 5 265 249. 5 234 218. 5 203 187. 5 172 156. 5 141 125. 5 110 94. 5 �Odziv sistema brez prikazane krmilne veličine: 466. 5 451 435. 5 420 404. 5 389 373. 5 358 342. 5 327 311. 5 296 280. 5 265 249. 5 234 218. 5 203 187. 5 172 156. 5 141 125. 5 110 94. 5 79 63. 5 48 32. 5 17 1. 5 �Odziv sistema z uporabo izračunanih parametrov: 120 100 80 60 PV SV 40 CV 20 0 60 55 50 45 40 PV 35 SV 30 25 20

�Drugi sklop parametrov (CV=70%):

�Drugi sklop parametrov (CV=70%):

496. 5 481 465. 5 450 434. 5 419 403. 5 388 372. 5

496. 5 481 465. 5 450 434. 5 419 403. 5 388 372. 5 357 341. 5 326 310. 5 295 279. 5 264 248. 5 233 217. 5 202 186. 5 171 155. 5 140 124. 5 109 93. 5 78 62. 5 47 31. 5 16 0. 5 �Odziv sistema z uporabo izračunanih parametrov: 120 100 80 60 PV SV CV 40 20 0

Načrtovanje parametrov z uporabo idealnega paralelnega algoritma na zaprtozančnemu sistemu �Idealni paralelni algoritem diskretnega

Načrtovanje parametrov z uporabo idealnega paralelnega algoritma na zaprtozančnemu sistemu �Idealni paralelni algoritem diskretnega regulatorja omogoča, da lahko sistem zanihamo. �Da dosežemo nihanje sistema, je najprej potrebno nastaviti ojačanje KP in čas TD na 0, TI pa na neko zelo veliko vrednost, da izničimo njegov vpliv. �Z ročno nastavitvijo krmilne veličine približamo procesno veličino karseda blizu željene veličine. �Sedaj postopnim vnosom ojačanja KP silimo sistem v nihanje.

�Minimalno ojačanje, pri katerem sistem začne nihati, se imenuje kritično ojačanje, ki ima tudi

�Minimalno ojačanje, pri katerem sistem začne nihati, se imenuje kritično ojačanje, ki ima tudi svojo (kritično) periodo. �Naslednji korak je izračun parametrov PID regulatorja: �Zaradi nelinearnosti sistema postopek ponovimo dvakrat.

�Prvi sklop parametrov (SV=40%):

�Prvi sklop parametrov (SV=40%):

497. 5 482 110 94. 5 79 63. 5 48 32. 5 17 1.

497. 5 482 110 94. 5 79 63. 5 48 32. 5 17 1. 5 497. 5 482 466. 5 451 435. 5 420 404. 5 389 373. 5 358 342. 5 327 311. 5 296 280. 5 265 249. 5 234 218. 5 203 187. 5 172 156. 5 141 125. 5 �Odziv sistema brez prikazane krmilne veličine: 466. 5 451 435. 5 420 404. 5 389 373. 5 358 342. 5 327 311. 5 296 280. 5 265 249. 5 234 218. 5 203 187. 5 172 156. 5 141 125. 5 110 94. 5 79 63. 5 48 32. 5 17 1. 5 �Odziv sistema z uporabo izračunanih parametrov: 120 100 80 60 PV SV 40 CV 20 0 60 55 50 45 40 SV 35 PV 30 25 20

�Drugi sklop parametrov (SV=70%):

�Drugi sklop parametrov (SV=70%):

545 529. 5 514 111 95. 5 80 64. 5 49 33. 5 18

545 529. 5 514 111 95. 5 80 64. 5 49 33. 5 18 2. 5 545 529. 5 514 498. 5 483 467. 5 452 436. 5 421 405. 5 390 374. 5 359 343. 5 328 312. 5 297 281. 5 266 250. 5 235 219. 5 204 188. 5 173 157. 5 142 126. 5 �Odziv sistema brez prikazane krmilne veličine: 498. 5 483 467. 5 452 436. 5 421 405. 5 390 374. 5 359 343. 5 328 312. 5 297 281. 5 266 250. 5 235 219. 5 204 188. 5 173 157. 5 142 126. 5 111 95. 5 80 64. 5 49 33. 5 18 2. 5 �Odziv sistema z uporabo izračunanih parametrov: 120 100 80 60 PV 40 SV CV 20 0 90 80 70 60 PV 50 SV 40 30

Načrtovanje parametrov z uporabo modificiranega paralelnega algoritma na odprtozančnemu sistemu �Parametre določamo s pomočjo

Načrtovanje parametrov z uporabo modificiranega paralelnega algoritma na odprtozančnemu sistemu �Parametre določamo s pomočjo tangente, kjer je možno določiti mrtvi čas tz in čas vzpona tv. �Časa se določita z merjenjem časov t 0, t 1 in t 2. �Naslednji korak je izračun parametrov PID regulatorja brez ojačanja regulatorja: �S podanimi parametri so zajeti odzivi regulatorja.

�Prvi sklop parametrov (CV=40%):

�Prvi sklop parametrov (CV=40%):

0. 5 56 111. 5 167 222. 5 278 333. 5 389 444. 5

0. 5 56 111. 5 167 222. 5 278 333. 5 389 444. 5 500 555. 5 611 666. 5 722 777. 5 833 888. 5 944 999. 5 1055 1110. 5 1166 1221. 5 1277 1332. 5 1388 1443. 5 1499 1554. 5 1610 1665. 5 1721 1776. 5 1832 1887. 5 1943 1998. 5 2054 2109. 5 2165 2220. 5 2276 2331. 5 2387 �Odziv sistema z uporabo izračunanih parametrov: 120 100 80 60 PV SV CV 40 20 0

�Drugi sklop parametrov (CV=70%):

�Drugi sklop parametrov (CV=70%):

�Odziv sistema z uporabo izračunanih parametrov: 120 100 80 PV 60 SV CV 40

�Odziv sistema z uporabo izračunanih parametrov: 120 100 80 PV 60 SV CV 40 20 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Razlike med algoritmoma Idealni paralelni algoritem Modificirani paralelni algoritem � Zgradba algoritma omogoča, da

Razlike med algoritmoma Idealni paralelni algoritem Modificirani paralelni algoritem � Zgradba algoritma omogoča, da lahko sistem zanihamo. � Izhod regulatorja se ob spremembah odzove hitro. � Brez vnešenih parametrov se sistem obnaša kot dvopoložajni regulator. � Karakteristika procesne veličine hitro doseže željeno vrednost, vendar se težko regulira. � Pri višjih temperaturah je pogrešek velik tudi do +2°C. � Sistema ni možno zanihati. � Izhod regulatorja se na spremembe odziva precej počasneje in potrebuje čas da se umiri. � procesna veličina ima lepšo, dušeno sinusno obliko. � Pogrešek temperature je neglede na temperaturno območje znotraj ± 1°C � Z optimiziranjem parametrov se da dobiti boljše odzive.

Nadaljni razvoj �Regulacijski sistem dopušča možnost nadaljne nadgradnje. �Tako je možno: - linearizirati proces;

Nadaljni razvoj �Regulacijski sistem dopušča možnost nadaljne nadgradnje. �Tako je možno: - linearizirati proces; - vpeljati motnje v proces; - preizkusiti serijsko izvedbo algoritma; - preizkusiti druge metode za pridobivanje parametrov (Cohen-Coon. . . ); - izdelati auto-tuning funkcijo v programu Lab. View; - uporabiti platformo za oddaljeni nadzor nad sistemom preko spleta.