Rechnergestützter ENTWURF und UNTERSUCHUNG einer PROZESSREGELUNG - DIGITALE SIMULATION

Transkript

1 Rechnergestützter ENTWURF und UNTERSUCHUNG einer PROZESSREGELUNG - DIGITALE SIMULATION 1 LABORRICHTLINIEN 2 EINFÜHRUNG 3 PROZESS-STRUKTUR UND -DATEN 4 VERSUCHSVORBEREITUNG 5 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG 6 DOKUMENTATION 7 ANHANG 1. LABORRICHTLINIEN Zur Teilnahme an diesem Laborversuch ist es unbedingt notwendig, alle Teile der Versuchsvorbereitung vor dem Labortermin zu bearbeiten (zu den Einzelheiten siehe Kapitel 4). Außerdem sind folgende Unterlagen mitzubringen: die Versuchsunterlagen entsprechend Kapitel 4 ACHTUNG!!! Zur Teilnahme am Laborversuch wird nur zugelassen, wer nach einer kurzen Überprüfung der Vorkenntnisse ausreichendes Wissen nachgewiesen hat und alle geforderten Unterlagen vorweisen kann!

2 2. EINFÜHRUNG Im Rahmen dieses Laborversuches soll exemplarisch mittels digitaler Simulation der systematische Entwurf einer Prozessregelung erprobt werden. Ziel ist es, durch den Einsatz eines rechnergestützten regelungstechnischen Entwicklungswerkzeuges (WinFACT-BORIS) für einen gegebenen Prozess (Behälterdruckregelstrecke) eine unter betriebstechnischen Aspekten optimale Regelung zu entwickeln. Ausgehend von einem gerätetechnischen Schema des Prozesses, einer gemessenen Übergangsfunktion und Kennliniendiagrammen sollen folgende Punkte bearbeitet werden: Entwicklung eines Prozessmodells Digitale Simulation des Prozesses Entwurf eines Druckregelkreises für den Stör- und Führungsfall Digitale Simulation und Optimierung des Regelkreises 3. PROZESS-STRUKTUR und -DATEN Eine im Labor für Automatisierungstechnik entwickelte Druckregelstrecke hat (näherungsweise) den in der Abb.1 gezeigten Aufbau. Abb.1 Gerätebild der Druckregelstrecke

3 Die eigentliche Regelstrecke besteht aus drei in Reihe geschalteten Behältern (V1,V2,V3), die über ein Stellglied mit Druck beaufschlagt werden. Als Stellglied wird ein U/P-Umformer eingesetzt, der als relativ verzögerungsfreies System die Eingangsspannung U Stell (0...10V) in einen pneumatischen Druck p v umformt. Abb.2a zeigt die Kennlinie des Stellgliedes. Der Behälterdruck p 3 am Ausgang der Regelstrecke wird über einen Druckmessumformer erfasst und in die Ausgangsspannung U p3 (Regelgröße) umgesetzt. Die zugehörige Kennlinie ist in Abb.2b dargestellt. Kennlinie p v =f(u stell ) p v [bar] U stell [V] Abb.2a Statische Kennlinie des U/P-Umformers Kennlinie U p3 =f(p 3 ) U p3 [V] p 3 [bar] Abb.2b Statische Kennlinie des Druckmessumformers

4 Die Regelstreckenparameter sind explizit nicht bekannt. Es liegt jedoch eine gemessene Sprungantwort der Druckregelstrecke {Eingang u(t)= U Stell (t), Ausgang y(t)= U p3 (t)} vor (Abb.3). u( t) = U ( t) stell y ( t ) = U 3( t ) p Abb.3 Übergangsfunktion der Druckregelstrecke Eingangssprung u(t) bei t=10s von 0V auf 7V Sprungantwort y(t) in Datei Sprungantwort_Strecke.sim 4. VERSUCHSVORBEREITUNG Folgende Aufgaben sollen vor Versuchsbeginn bearbeitet und in den Versuchsunterlagen dokumentiert werden : Entwicklung eines Prozessmodells Darstellung des Prozessmodells mit Teilmodellen im Blockschaltbild Auswertung der Kennlinien in Abb.2 zur Ermittlung der Verstärkung K S Ermittlung der Verstärkung K S, der Verzugszeit T u und der Ausgleichszeit T g aus der Sprungantwort nach Abb.3 Bestimmung eines Prozessmodells nach Strejc (Tabelle im Anhang) Aufstellen des DGL-Modells der Behälterregelstrecke, U p3 (t)=f(u Stell (t)) Entwurf eines Blockschaltbildes für den Druckregelkreis (RK) im Stör-/Führungsfall Aufstellen der DGL des RK im Stör- bzw. Führungsfall bei Einsatz eines PI-Reglers

5 Einarbeitung in das Modul BORIS des CAE-Programmpakets WinFACT 6 Simulation eines einfachen Regelkreises mit PT 1 Regelstrecke und PI- Regler Einstellung des PI-Reglers per Handoptimierung Ergebnis der Versuchsvorbereitung Ergebnisse zu den Aufgaben Grundkenntnisse in BORIS 5. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG Der Versuch wird schrittweise nach der folgenden Anleitung durchgeführt. 5.1 Simulation des Prozessmodells Im ersten Schritt sollen Sie das in Kapitel 3 entwickelte Prozessmodell qualitativ und quantitativ durch digitale Simulation der Sprungantwort des Prozessmodells und deren Vergleich mit der gemessenen Sprungantwort (Abb.3) testen. Dazu bauen Sie eine Simulationsschaltung für das Prozessmodell in BORIS entsprechend Anhang (Abb.4) zur Versuchsbeschreibung auf. Simulieren Sie das Verhalten des Modells für einen Eingangssignalsprung von 0 auf 7 V. Bei signifikanten Abweichungen zwischen der simulierten und der gemessenen Antwort müssen ggf. die Prozessparameter und/oder die Prozessstruktur überprüft und korrigiert werden. Solange Wiederholung der Simulation, bis ein befriedigende Übereinstimmung der simulierten Sprungantwort mit Abb.3 vorliegt 5.2 Simulation des Regelkreises Im zweiten Schritt soll im Regelkreis nach Abb.5 mit dem Prozessmodell (Regelstrecke) nach 5.1 das Zeitverhalten der Regelgröße im Stör-/Führungsfall untersucht werden. Dabei sollen alternativ ein P-Regler und ein PI-Regler parametriert und das Verhalten des jeweiligen Regelkreises simuliert werden. Der Einfluss des Reglertyps und der Reglerparameter ist darzustellen. Dazu sind folgende Schritte notwendig :

6 5.2.1 Reglereinstellung nach Ziegler-Nichols Eingabe des Regelkreises in BORIS entsprechend Anhang (Abb.5) zur Versuchsbeschreibung Führungsfall einstellen ( Störgrössenänderung auf Null setzen ) Parametrierung des Reglers als P Regler mit kp=1 Bestimmung der kritischen Periodendauer T krit und der kritischen Verstärkung K Rkrit durch schrittweise Erhöhung der Reglerverstärkung bis an Stabilitätsgrenze Bestimmung der Reglerparameter für einen P-/PI-Regler aus der Ziegler-Nichols- Tabelle Simulation des Regelverhaltens des P- und des PI-Reglers im Stör- und Führungsfall Handoptimierung des Regelkreises Mit einer einfachen Optimierungsstrategie sollen ein P-und ein PI-Regler im simulierten Regelkreis von Hand eingestellt werden. Das Überschwingen sollte 20% nicht überschreiten. 6. DOKUMENTATION Die Versuchausarbeitung besteht besteht aus Versuchsunterlagen aus Vorbereitung Ergebnisse des Laborversuches ( mit Erläuterung der Ergebnisse ) Schlussbetrachtung

7 7. ANHANG Abb.4 BORIS-Blockschaltbild der simulierten Druckregelstrecke Abb.5 BORIS-Blockschaltbild des simulierten Druckregelkreises Tab.1 Kennwerttabelle zur Übergangsfunktion von PT n -Gliedern nach Strejc Tab.2 Einstelltabelle nach Ziegler-Nichols