Regelung eines 3-Tank-Labormodells mit einem Linux-Echtzeitsystem auf einem PC/104-Modul

Transkript

1 Regelung eines 3-Tank-Labormodells mit einem Linux-Echtzeitsystem auf einem PC/104-Modul Leopold Grießler Institut für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung Johannes Kepler Universität Linz 16. März 2010 Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

2 Aufgabenstellung Aufgabenstellung Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

3 Aufgabenstellung Aufgabenstellung 1 Regelung über Linux-Echtzeitsystem auf einem PC/104 Modul Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

4 Aufgabenstellung Aufgabenstellung 1 Regelung über Linux-Echtzeitsystem auf einem PC/104 Modul 2 Implementierung mit Open-Source Paketen Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

5 Aufgabenstellung Aufgabenstellung 1 Regelung über Linux-Echtzeitsystem auf einem PC/104 Modul 2 Implementierung mit Open-Source Paketen 3 Verbesserungen am bestehenden Labormodell Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

6 Inhalt Inhalt 1 Aufbau des Labormodells 2 Modellbildung 3 Parameterbestimmung 4 Mehrgrößenregelung Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

7 Aufbau des Labormodells Inhalt 1 Aufbau des Labormodells 2 Modellbildung 3 Parameterbestimmung 4 Mehrgrößenregelung Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

8 Aufbau des Labormodells 3-Tank-Labormodell Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

9 Aufbau des Labormodells 3-Tank-Labormodell Pumpen: q = 10 l/min, U = 12 V DC Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

10 Aufbau des Labormodells 3-Tank-Labormodell Pumpen: q = 10 l/min, U = 12 V DC Drucksensoren: k = 197 mv/cm, U = 8 V DC, p = ρgh Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

11 Aufbau des Labormodells Verbesserungen Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

12 Aufbau des Labormodells Verbesserungen Problem: Aufwallen des Wassers beim alten Labormodell Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

13 Aufbau des Labormodells Verbesserungen Problem: Aufwallen des Wassers beim alten Labormodell Lösung: Änderung der Schlauchanordnung Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

14 Aufbau des Labormodells Verbesserungen Problem: Aufwallen des Wassers beim alten Labormodell Lösung: Änderung der Schlauchanordnung Abgenützte Schläuche verändern Durch- und Ausflussverhalten Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

15 Aufbau des Labormodells Verbesserungen Problem: Aufwallen des Wassers beim alten Labormodell Lösung: Änderung der Schlauchanordnung Abgenützte Schläuche verändern Durch- und Ausflussverhalten Hochwertigere Schläuche Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

16 Aufbau des Labormodells PC/104-System Komponenten: Motherboard Wafer-LX 3.5 Ein-/Ausgabekarte von Sensoray 80 GB Festplatte Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

17 Aufbau des Labormodells PC/104-System Komponenten: Motherboard Wafer-LX 3.5 Ein-/Ausgabekarte von Sensoray 80 GB Festplatte Eigenschaften: Latenzzeit: 61 µs AMD LX MHz Prozessor 1GB SDRAM 80 GB Festplattenspeicher 4 Analoge Ausgänge 8 Analoge Eingänge Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

18 Aufbau des Labormodells Open-Source Pakete Debian Etch 4.0 r3 Linux Kernel RTAI 3.5 Comedi Scilab/Scicos RTAI-Erweiterung für Scilab/Scicos qrtailab Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

19 Aufbau des Labormodells Open-Source Pakete Debian Etch 4.0 r3 Linux Kernel RTAI 3.5 Comedi Scilab/Scicos RTAI-Erweiterung für Scilab/Scicos qrtailab Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

20 Aufbau des Labormodells Zusammenschaltung Leistungsverstärker: Universal Power Module von Quanser Trennverstärkerkarten: ISO-2/4 Analog von Imtron Verbindungsbox, Anschlussbox Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

21 Modellbildung Inhalt 1 Aufbau des Labormodells 2 Modellbildung 3 Parameterbestimmung 4 Mehrgrößenregelung Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

22 Modellbildung Tank dh(t) dt = A Sch A 2g(h(t)+H h u (t)) + q zu(t) 1+ζ A q ab (t) = A Sch 2g(h(t)+H h u (t)) 1+ζ Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

23 Modellbildung Pumpe [ dia dt dω(t) dt ] = [ 1 L A (u A (t) R A i A (t) k M ω(t)) 1 J M +J P (k M i A (t) 1 η P ρgk P h P (t)) q P (t) = k P ω(t) ] Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

24 Modellbildung Gesamtsystem System für den Tank i und die Pumpe i dh i (t) dt di A,i dt dω i (t) dt = A Sch 2g(hi (t)+h i h u,i (t)) A i 1+ζ i + q zu,i(t) A i 1 L A,i (u A,i (t) R A,i i A,i (t) k M,i ω i (t)) 1 J M,i +J P,i (k M,i i A,i (t) 1 η P,i ρgk P,i h P,i (t)) Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

25 Modellbildung Gesamtsystem System für den Tank i und die Pumpe i dh i (t) dt di A,i dt dω i (t) dt = A Sch 2g(hi (t)+h i h u,i (t)) A i 1+ζ i + q zu,i(t) A i 1 L A,i (u A,i (t) R A,i i A,i (t) k M,i ω i (t)) 1 J M,i +J P,i (k M,i i A,i (t) 1 η P,i ρgk P,i h P,i (t)) Gesamtsystem für alle 3 Tanks und Pumpen 9 Zustände: h i,i A,i,ω i 3 Eingänge: u A,i 3 Ausgänge: h i Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

26 Modellbildung Modellreduktion Reduktion des elektrischen und mechanischen Teilsystems der Pumpe: Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

27 Modellbildung Modellreduktion Reduktion des elektrischen und mechanischen Teilsystems der Pumpe: ( ) 2hP q P (t) = kp k M u A (t) 1 η P R A ρg kp k M (t) Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

28 Modellbildung Modellreduktion Reduktion des elektrischen und mechanischen Teilsystems der Pumpe: ( ) 2hP q P (t) = kp k M u A (t) 1 η P R A ρg kp k M (t) dh 1 (t) dt dh 2 (t) dt dh 3 (t) dt = A Sch,1 A 1 2g(h1 (t)+h 1,2 h 2 (t)) 1+ζ 1 A Sch,1 2g(h1 (t)+h 1,2 h 2 (t)) A 1 1+ζ 1 A Sch,2 2g(h2 (t)+h 2,3 h 3 (t)) A 2 1+ζ 2 A Sch,2 2g(h2 (t)+h 2,3 h 3 (t)) A 2 1+ζ 2 A Sch,3 2g(h3 (t)+h 3,S h S (t)) A 3 1+ζ 3 k p,1 k M,1 u A,1 (t) 1 ( kp,1 R η A,1 ρg P,1 k M,1 ) 2 (H 1 +h 1 (t) h S (t)) A( 1 ) 2 k p,2 u k A,2 (t) 1 kp,2 R M,2 η A,2 ρg (H P,2 k 2 +h 2 (t) h S (t)) M,2 A( 2 ) 2 k p,3 u k A,3 (t) 1 kp,3 R M,3 η A,3 ρg (H P,3 k 3 +h 3 (t) h S (t)) M,3 A 3 Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

29 Parameterbestimmung Inhalt 1 Aufbau des Labormodells 2 Modellbildung 3 Parameterbestimmung 4 Mehrgrößenregelung Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

30 Parameterbestimmung Drucksensoren us in V Sensor 1 Näherung Sensor 1 Messpunkte Sensor 2 Näherung 1.5 Sensor 2 Messpunkte Sensor 3 Näherung Sensor 3 Messpunkte h i in mm Sensorparameter: h i (u S,i ) = u S,i u S0,i k S,i u S0,i k S,i Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

31 Parameterbestimmung Tanks hi in mm h1 Messung h2 Messung 10 h3 Messung h4 Messung t in s dh i (t) dt Ausfließparameter: α i = A Sch,i A i 2g 1+ζ i = α i h i (t)+h i,i+1 h i+1 (t) Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

32 Parameterbestimmung Pumpen Pumpenkennlinie 10 8 qp in l/min Pumpe 1 Näherung 0 Pumpe 1 Messung Pumpe 2 Näherung Pumpe 2 Messung 2 Pumpe 3 Näherung Pumpe 3 Messung u A in V q P,i = { β 1,1,i (u A,i u A,0,i ) β 1,2,i 5 u A,0,i u A,i β 2,1,i (u A,i u A,0,i )+β 2,2,i ua,i u A,0,i für 0 u A,i u A,0,i für u A,0,i u A,i Parameter der Pumpenkennlinie: β 1,1,i,β 1,2,i,β 2,1,i,β 2,2,i u A,0,i Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

33 Mehrgrößenregelung Inhalt 1 Aufbau des Labormodells 2 Modellbildung 3 Parameterbestimmung 4 Mehrgrößenregelung Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

34 Mehrgrößenregelung Strecke ẋ 1 ẋ 2 ẋ 3 = α 1 (x1 +H 1,2 x 2 ) α 1 (x1 +H 1,2 x 2 ) α 2 (x2 +H 2,3 x 3 ) α 2 (x2 +H 2,3 x 3 ) α 3 (x3 +H 3,S x S ) + q P,1(u 1 k h,1 (x 1 x S +h S,0,id,1 h 1,0,id )) A 1 + q P,2(u 2 k h,2 (x 2 x S +h S,0,id,2 h 2,0,id )) A 2 + q P,3(u 3 k h,3 (x 3 x S +h S,0,id,3 h 3,0,id )) A 3 ẋ = f(x,u) y = x Stellgrößentransformation: ū = f(x, u) Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

35 Mehrgrößenregelung Stellgrößentransformation + Reglerentwurf Stellgrößentransformation: ū = f(x,u) u = f 1 u (x,ū) G(z) = T a z T 0 a z 1 0 T 0 0 a z 1 R PI,i (z) = V I,i +V P,i z z 1 Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

36 Mehrgrößenregelung Regelungsergebnisse 80 Tank t in s h in mm h in mm h in mm h in mm 80 Tank t in s 80 Tank t in s 80 Sammelbehälter t in s Vorgabe Messung Simulation Vorgabe Messung Simulation Vorgabe Messung Simulation Messung Simulation Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

37 Zusammenfassung Erreichte Ziele Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

38 Zusammenfassung Erreichte Ziele dspace System mit PC/104 System vollständig ersetzt. Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

39 Zusammenfassung Erreichte Ziele dspace System mit PC/104 System vollständig ersetzt. Modellbildung, Parameterbestimmung und Regelung ausschließlich mit Open-Source Software implementiert. Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

40 Zusammenfassung Erreichte Ziele dspace System mit PC/104 System vollständig ersetzt. Modellbildung, Parameterbestimmung und Regelung ausschließlich mit Open-Source Software implementiert. Kein Aufwallen des Wassers beim Regeln. Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

41 Zusammenfassung Erreichte Ziele dspace System mit PC/104 System vollständig ersetzt. Modellbildung, Parameterbestimmung und Regelung ausschließlich mit Open-Source Software implementiert. Kein Aufwallen des Wassers beim Regeln. Laboraufbau kann jederzeit durch einfaches Anstecken und Verbinden von Kabeln in Betrieb genommen werden. Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

42 Zusammenfassung Ausblick Andere Sensoren zur Pegelstandmessung verwenden. Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

43 Zusammenfassung Ausblick Andere Sensoren zur Pegelstandmessung verwenden. Visualisierung und Simulation auf selben Rechner: Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

44 Zusammenfassung Ausblick Andere Sensoren zur Pegelstandmessung verwenden. Visualisierung und Simulation auf selben Rechner: Leistungsstärkeres PC/104 System oder Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

45 Zusammenfassung Ausblick Andere Sensoren zur Pegelstandmessung verwenden. Visualisierung und Simulation auf selben Rechner: Leistungsstärkeres PC/104 System oder Visualisierung auf externen Rechner Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

46 Zusammenfassung Ausblick Andere Sensoren zur Pegelstandmessung verwenden. Visualisierung und Simulation auf selben Rechner: Leistungsstärkeres PC/104 System oder Visualisierung auf externen Rechner Leistungsgrenze von Scicos bei einer Dateigröße von ca. 1 MB; Code Generierung kann nicht mehr durchgeführt werden Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

47 Zusammenfassung Ausblick Andere Sensoren zur Pegelstandmessung verwenden. Visualisierung und Simulation auf selben Rechner: Leistungsstärkeres PC/104 System oder Visualisierung auf externen Rechner Leistungsgrenze von Scicos bei einer Dateigröße von ca. 1 MB; Code Generierung kann nicht mehr durchgeführt werden Leistungsgrenze von qrtailab; Anzeige von zu vielen Scopes nicht möglich Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25

48 Zusammenfassung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ich möchte Sie nun zu einer kurzen Demonstration am realen Modell einladen. Grießler L. (regpro - JKU) 3-Tank-Labormodell / 25