Automatisierungstechnik Praktikum Tutorium zum Laboraufbau Elektrisches Netzwerk

Transkript

1 J O H A N N E S K E P L E R U N I V E R S I T Ä T L I N Z I n s t i t u t f ü r R e g e l u n g s t e c h n i k u n d P r o z e s s a u t o m a t i s i e r u n g Automatisierungstechnik Praktikum Tutorium zum Laboraufbau Elektrisches Netzwerk SS 2004 Ennsbrunner / Grabmair / Stadlmayr Stand: März 2004 A-4040 Linz, Altenberger Str. 69, Internet:

2 0.1 Referenz Der Großteil der vorliegenden Unterlagen wurden im Rahmen des Projektseminars Labormodell elektrisches Netzwerk: Aktiver Tiefpass 2. Ordnung von Herrn Markus Huber und Robert Stadlbauer erstellt. 0.2 Vorbereitung Die Praktikumsteilnehmer sollen anhand dieses Tutoriums einen Überblick über den Laboraufbau Elektrisches Netzwerk erhalten. Als Vorbereitung ist das Kapitel Laborkonfiguration und jene Kapitel, welche dem aktuellen Praktikumsinhalt entsprechen, durchzulesen Praktikum 2: Die Identifikationsroutine soll anhand einer, in dspace simulierten Strecke (wie im Kapitel 2.1 gezeigt) getestet werden. Ein Test des Zustandsreglers ist als Vorbereitung nicht erforderlich Praktikum 3: Praktikum 4: 2

3 1 Laborkonfiguration Der Laboraufbau, welcher im Rahmen des Praktikums verwendet wird, setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen Laborrechner mit eingebauter dspace-karte Potentialtrennung Elektrisches Netzwerk. 2 J A J E = J H A K C K = K A K + K + # 8 8 A H I H C K C ! 4 # K A 4 " + K = - A J H E I? D A I A J M A H 2 + E J, 5 F =? A " E I J A? = H J A Bild 1.1: Laborkonfiguration 1.1 Das dspace System Die dspace-hardware besteht aus einer echtzeitfähigen Prozessorkarte (im Praktikum aus einer DS1104), welche acht analoge Eingänge (davon vier multiplexed), acht analoge Ausgänge (jeweils ±10V), 20 digitale Ein/Ausgänge und weitere Schnittstellen (PWM, Encoder) zur Verfügung stellt. Der Hauptprozessor ist ein PowerPC 603e mit 250MHz, welcher in Verbindung mit den ADC s Abtastzeiten von bis zu 800ns ermöglicht. 3

4 Die zugehörige dspace-software stellt für MATLAB/SIMULINK ein System dar, welches es ermöglicht, die einzelnen Ein/Ausgangskanäle der Interfacekarte bequem durch SIMU- LINK -Blöcke anzusprechen sowie SIMULINK -Modelle direkt in MATLAB zu übersetzen und auf die dspace-karte zu laden. Mittels des dspace Control Desk Programmes kann man schlussendlich auf einer graphischen Oberfläche die Signale visualisieren und Parameter des laufenden Echtzeitprozesses variieren. 1.2 Die Potentialtrennung Um die empfindlichen IOs der dspace Hardware zu schützen, werden die Laboraufbauten generell über Potentialtrennungen angeschlossen. Dadurch wird die Bildung von Masseschleifen, Überspannungen etc. verhindert. 1.3 Das Elektrische Netzwerk Ist die Implementierung des elektrischen Netzwerks, welches bereits in der ersten Laborübung analysiert wurde. Die Verstärkung und die Dämpfung dieses VZ2 Gliedes können über Potentiometer verändert werden und müssen somit identifiziert werden. 4

5 2 Praktikumsaufgaben Alle files, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, sind auf dem Praktikumsserver unter \\Laborserver\Praktikumsangaben\aut1pr\Elektrisches Netzwerk dspace abgelegt. Von diesen files muss eine lokale Kopie erzeugt werden, welche in weiterer Folge für die verschiedenen Aufgaben verwendet wird. 2.1 Identifikation (Praktikum 2) Anhand der nachfolgenden Punkte wird die Benützung des dspace-experimentes Identifikation für das Elektrische Netzwerk schrittweise erklärt. 1. Das SIMULINK -Modell Elektrisches Netzwerk.mdl, welches sich im Ordner /Identifikation der Strecke befindet, öffnen. 2. Mit Tools->RealTimeWorkshop->BuildModel wird das Modell übersetzt, auf die dspace-karte übertragen und gestartet. Der Übersetzungsvorgang erzeugt im aktuellen MATLAB Verzeichnis eine Datei elektrisches netzwerk.sdf (variable description file) sowie Unterverzeichnisse mit Compiler-Files. Bild 2.1: Punkt 2 5

6 ! " 3. Nachdem die Meldung Finished RTI build procedure for model Elektrisches Netzwerk im MATLAB Command Window erscheint, kann dspace Control Desk gestartet werden. 4. In dspace Control Desk das Experiment identifikation.cdx (Control Desk Experiment) öffnen. 5. Vom Edit Mode in den Animation Mode [1] wechseln und im Menü unter View Fullscreen auf den fullscreen mode wechseln; Danach Vorbereitung: Bauteilwerte in die vorgesehenen Felder eintragen ( Verstärkung V und die Dämpfung ξ steht nicht zur Verfügung!! ) und die Simulierte Strecke [2] einschalten (LED leuchtet danach blau); die reale Strecke ausschalten; Praktikum: die reale Strecke einschalten (LED leuchtet danach grün); die Simulierte Strecke ausschalten; und in den Capture Settings auf Start [3] drücken (siehe Bild 2.2). Bild 2.2: Punkt 5 6. Der Verlauf der realen Strecke kann jetzt als Datenfile zur Weiterverarbeitung in MATLAB unter Capture Settings->Reference Capture->Save [4] z.b.:als ident.mat im aktuellen dspace Control Desk Verzeichnis gespeichert werden. 7. Mithilfe der im file ident.mat gespeicherten Größen der realen Strecke kann diese nun in MATLAB identifiziert werden. Der Zugriff auf die gespeicherten Daten erfolgt in MATLAB mittels des Befehles load ident, wodurch die Variable ident als 6

7 structure array in den workspace geladen wird. Dieser structure array enthält den Verlauf der Kenngrößen der realen Strecke, zur Weiterverarbeitung können diese wie nachfolgend beschrieben ausgelesen werden. Zeit t durch t = ident.x.data reale Stellgröße u durch u = ident.y(1).data reale Zustandsgröße u C1 durch x1 = ident.y(2).data reale Zustandsgröße u C2 durch x2 = ident.y(4).data reale Sprungantwort y durch y = ident.y(6).data simulierte Sprungantwort y Si m durch y sim = ident.y(7).data simulierte Zustandsgröße u C1 Si m durch x1 sim = ident.y(3).data simulierte Zustandsgröße u C1 Si m durch x2 sim = ident.y(5).data Zur Überprüfung der Belegung kann auf das Namesfeld ident.y.name zugegriffen werden. 8. Verifikation der Ergebnisse Vorbereitung: Die aus dem simulierten Modell gewonnenen Daten (t, u, y) können verwendet werden um die Bauteilwerte zu identifizieren und mit den Eingaben [1] von Punkt 5. zu vergleichen. Praktikum: Die aus dem realen Modell gewonnenen Daten (t, u, y) können verwendet werden um die Bauteilwerte des elektrischen Systems zu identifizieren. Durch Eingabe der identifizierten Größen in dspace Control Desk [1] (Eingabe immer mit ENTER bestätigen) kann nun die reale Strecke mit der identifizierten Strecke verglichen werden. Dazu muss die simulierte und die reale Strecke eingeschaltet werden [2] und in den Capture Settings wiederum auf Start [3] gedrückt werden. 7

8 ! Bild 2.3: Punkt 8 8

9 2.2 Zustandsregler (Praktikum 2) Anhand der nachfolgenden Punkte wird die Benützung des dspace-experimentes Zustandsregler für das Elektrische Netzwerk schrittweise erklärt. Die Strecke muss vor einem Reglerentwurf identifiziert werden um die Modellparameter (R 1,R 2,R 3,R 4,R 5,C 1,C 2 ) im Reglerentwurf verwenden zu können. Im dspace-experiment Zustandsregler sollen mit den identifizierten Streckenparametern zwei verschiedene Zustandsregler entworfen werden. Einerseits ein Zustandsregler nach der Formel von Ackermann und andererseits ein Zustandsregler mithilfe der LQR-Methode. Vor dem Start des SIMULINK -Modells Elektrisches Netzwerk.mdl müssen folgende Reglerparameter unter den in Punkt 1 angeführten Bezeichnungen im workspace von MATLAB vorhanden sein. 1. Für den Zustandsregler nach der Formel von Ackermann: k d l d Für den Zustandsregler mit der LQR Methode: K1 l LQR d Falls diese Reglerparameter beim Aufruf des SIMULINK -Modells nicht im Workspace von Matlab gespeichert sind, erscheint folgende Fehlermeldung. Bild 2.4: Punkt 1 9

10 2. Vor dem Aufrufen des SIMULINK -Modells Elektrisches Netzwerk.mdl müssen die identifizierten Parameter (R 1,R 2,R 3,R 4,R 5,C 1,C 2 ) in der Datei El Nw param.m gespeichert werden. Bild 2.5: Punkt 2 3. Das SIMULINK -Modell Elektrisches Netzwerk.mdl, welches sich im Ordner Zustandsregler befindet, öffnen. 4. Mit Tools->RealTimeWorkshop->BuildModel wird das Modell übersetzt, auf die dspace-karte übertragen und gestartet. Der Übersetzungsvorgang erzeugt im aktuellen MATLAB Verzeichnis eine Datei elektrisches netzwerk.sdf (variable description file) sowie Unterverzeichnisse mit Compiler-Files. 5. Nachdem die Meldung Finished RTI build procedure for model Elektrisches Netzwerk im MATLAB Command Window erscheint, kann dspace Control Desk gestartet werden. 6. In dspace Control Desk das Experiment Zustandsregler.cdx (Control Desk Experiment) öffnen. 7. Vom Edit Mod e in den Animation Mode wechseln, die simulierte Strecke einschalten und in den Capture Settings auf Start drücken. 8. In dspace Control Desk im Controlpanel Regler den Zustandsregler oder den LQR Regler einschalten. Auf diese Weise kann die Funktion des Reglers an der simulierten Strecke gestestet werden. Falls diese Überprüfung das gewünschte Resultat ergibt, kann in das Layout der realen Strecke gewechselt werden und der Regler dort zugeschalten werden. 10

11 "! Bild 2.6: Punkt 7 Bild 2.7: Punkt 8 11

12 2.3 Zustandsregler mit Beobachter (Praktikum 3) Anhand der nachfolgenden Punkte wird die Benützung des dspace-experimentes Zustandsregler mit Beobachter für das Elektrische Netzwerk schrittweise erklärt. Die Strecke muss vor einem Reglerentwurf identifiziert werden um die Modelparameter (R 1,R 2,R 3,R 4,R 5,C 1,C 2 ) im Reglerentwurf verwenden zu können. Im dspace-experiment Zustandsregler mit Beobachter sollen mit den identifizierten Streckenparametern ein Zustandsregler und ein Beobachter entworfen werden. Vor dem Ausführen des SIMULINK - Modells Elektrisches Netzwerk.mdl müssen folgende Reglerparameter im workspace von MATLAB vorhanden sein. 1. Für den Zustandsregler sowie Zustandsbeobachter nach der Formel von Ackermann: k d l d SS Beobachter d Für den Zustandsregler mit der LQR Methode und den Zustandsbeobachter mittels LQE Methode: K1 l LQR d SS Beobachter LQE d Falls diese Reglerparameter beim Aufruf des SIMULINK -Modells nicht im Workspace von Matlab gespeichert sind, erscheint eine Fehlermeldung im workspace von MAT- LAB. 2. Vor dem Aufrufen des SIMULINK -Modells Elektrisches Netzwerk.mdl müssen die identifizierten Parameter (R 1,R 2,R 3,R 4,R 5,C 1,C 2 ) in der Datei El Nw param.m gespeichert werden. 3. Das SIMULINK -Modell Elektrisches Netzwerk.mdl, welches sich im Ordner ZustandsreglerMitBeob befindet, öffnen. 4. Mit Tools->RealTimeWorkshop->BuildModel wird das Modell übersetzt, auf die dspace-karte übertragen und gestartet. Der Übersetzungsvorgang erzeugt im aktuellen MATLAB Verzeichnis eine Datei elektrisches netzwerk.sdf (variable description file) sowie Unterverzeichnisse mit Compiler-Files. 5. Nachdem die Meldung Finished RTI build procedure for model Elektrisches Netzwerk im MATLAB Command Window erscheint, kann dspace Control Desk gestartet werden. 12

13 6. In dspace Control Desk das Experiment Zustandsregler mit Beobachter.cdx (Control Desk Experiment) öffnen. 7. Vom Edit Mode in den Animation Mode wechseln und die simulierte Strecke einschalten. Die Funktionsweise der Regler und der Beobachter kann wiederum an der simulierten Strecke gestestet werden. Falls diese Überprüfung das gewünschte Resultat ergibt, kann in das Layout der realen Strecke gewechselt werden und der Regler und der Beobachter dort zugeschalten werden. Bild 2.8: Punkt 7a 13

14 Bild 2.9: Punkt 7b 14

15 2.4 Reglerentwurf mittels FKL-Verfahren (Praktikum 4) Anhand der nachfolgenden Punkte wird die Benützung des dspace-experimentes FKL für das Elektrische Netzwerk schrittweise erklärt. Die Strecke muss vor einem Reglerentwurf identifiziert werden um die Modelparameter (R 1,R 2,R 3,R 4,R 5,C 1,C 2 ) im Reglerentwurf verwenden zu können. Im dspace-experiment FKL sollen mit den identifizierten Streckenparametern zwei Regler (PI-Regler und PID- Regler) mittels Frequenzkennlinien-Verfahren entworfen werden Vor dem Ausführen des SIMULINK -Modells Elektrisches Netzwerk.mdl müssen folgende Reglerparameter im workspace von MATLAB vorhanden sein. 1. Die Übertragungsfunktion des PI-Regler R PI z und die Übertragunsfunktion des PID-Reglers R PID z. Die Übertragungsfunktionen des Reglers müssen in den z- Bereich transformiert werden. 2. Vor dem Aufrufen des SIMULINK -Modells Elektrisches Netzwerk.mdl müssen die identifizierten Parameter (R 1,R 2,R 3,R 4,R 5,C 1,C 2 ) in der Datei El Nw param.m gespeichert werden. 3. Das SIMULINK -Modell Elektrisches Netzwerk.mdl, welches sich im Ordner fkl befindet, öffnen. 4. Mit Tools->RealTimeWorkshop->BuildModel wird das Modell übersetzt, auf die dspace-karte übertragen und gestartet. Der Übersetzungsvorgang erzeugt im aktuellen MATLAB Verzeichnis eine Datei elektrisches netzwerk.sdf (variable description file) sowie Unterverzeichnisse mit Compiler-Files. 5. Nachdem die Meldung Finished RTI build procedure for model Elektrisches Netzwerk im MATLAB Command Window erscheint, kann dspace Control Desk gestartet werden. 6. In dspace Control Desk das Experiment FKL-Entwurf.cdx (Control Desk Experiment) öffnen. 7. Vom Edit Mod e in den Animation Mode wechseln. Die Funktionsweise der Regler kann wiederum an der simulierten Strecke gestestet werden. Falls diese Überprüfung das gewünschte Resultat ergibt, kann in das Layout der realen Strecke gewechselt werden und der Regler dort zugeschalten werden. 15

16 Bild 2.10: Punkt 7a Bild 2.11: Punkt 7b 16