Praktikum Grundlagen Regelungstechnik Versuch P-GRT 01 Versuchsziel Versuch 1 Füllstandsregelung Analyse und Optimierung unterschiedlicher Regelstrecken Datum Versuchsdurchführung: Datum Protokoll: Versuchsgruppe: Bearbeiter Matrikel Set Bewertung Kolloquium Bewertung des Protokolls: Datum, Unterschrift V1_SS2014_R006
Versuch 1 Füllstandsregelung 1 Versuchsaufbau Der Versuchsaufbau "Füllstandsregelung" besteht aus einem Sollwertgeber, einen Differenzdrucksensor, einem analogen PID-Regler und einer Flüssigkeitsregelstrecke. Bei der Regelstrecke kann der Wasserdurchfluss mittels der eingebauten Pumpe M2 elektrisch gesteuert werden. Der Spannungsbereich für die Pumpe liegt zwischen 0 und 10V. Der in dem Flüssigkeitsstrecken-Modul enthaltene PI-Regler wird für die Versuche überbrückt (Abbildung 1: rote Laborleitung). Mit dem Ventil V1 kann zusätzlich der Volumenstrom von der Pumpe M2 eingestellt werden. Der Volumenstrom vom Ablauf des Tanks kann mittels des Ventils V2 eingestellt werden. Dabei ist zu beachten, dass der Durchfluss von der Stellung des Ventils V2 und von der Füllstandshöhe abhängig ist. Der Volumenstrom des Zulaufs wird an der Buchse C FLOW RATE gemessen und die Füllstandshöhe wird mit einem an dem Tauchrohr angeschlossenen Differenzdrucksensors gemessen. Die Messung der Werte erfolgt über das PROFI-CASSY Modul, welches mit der Software CASSY Lab auf dem PC kommuniziert. In der CASSY Lab Software lassen sich zeitliche Verläufe der Regelgröße (), der Stellgröße () und der Führungsgröße () darstellen. Abbildung 1: Versuchsaufbau Bei Verständnisproblemen zu den einzelnen Baugruppen sind die einzelnen Bedienungsanleitungen von LD Didactic zu studieren. V1_SS2014_R006-2 -
2 Sicherheitshinweise Versuch 1 Füllstandsregelung - Achtsamer Umgang mit Wasser und Spannungen. - Bei Wasseraustritt sofort die Elektronik ausschalten und den Praktikumsbetreuer informieren! - Ventile nicht mit Gewalt öffnen oder schließen. - Pumpe nicht mit geschlossenem Ventil V1 betreiben. - Flüssigkeitsregelstrecke muss sich immer in senkrechter Lage befinden. - Beim Umbau immer für Spannungsfreiheit sorgen. - Achten Sie darauf, dass am Ausgang des PROFI-CASSY Moduls auch Spannungen anliegen können, wenn keine Messung läuft. 3 Versuchsvorbereitung a. Erläutern Sie das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem! b. Worin unterscheiden sich die Sprungantworten von PT 1 T t und PT 2 Strecken? c. Wie sieht der abgetastete Zeitverlauf einer PT 2 -Strecke aus, wenn die Abtastzeit gleich einer Zeitkonstante der PT 2 -Strecke ist? d. Setzen Sie sich mit dem Führungsverhalten auseinander! e. Nennen Sie zwei Möglichkeiten einen Regler einzustellen! Setzen Sie sich mit der Berechnung von K p, T N und T V auseinander. f. Wie kann der Durchfluss und der Füllstand eines Wasserkreislaufes mit Wasserpumpe und Wassertank gemessen werden? g. Wie ändert sich das Streckenverhalten wenn das Ablassventil V2 des Tanks geschlossen wird? V1_SS2014_R006-3 -
Versuch 1 Füllstandsregelung 4 Versuch 1: Durchflussregelung 4.1 Zielsetzung: Regelung und Optimierung vom Pumpendurchfluss. a. Bestimmen Sie das Verhalten und die Kennwerte der Durchflussstrecke. b. Wählen Sie für die Regelstrecke einen geeigneten Reglertyp aus. Begründen Sie Ihre Wahl. c. Berechnen Sie für den Reglertyp nach einer von Ihnen gewählten Einstellregel die notwendigen Reglerparameter. Begründen Sie die Auswahl der Einstellregel. d. Messen Sie das Führungsverhalten (Regel- und Stellgröße) von der Durchflussregelung und bestimmen Sie die Kennwerte. e. Welche Eigenschaften besitzt das Regelungssystem. (Stichpunkte) f. Optimieren Sie die Regelung für eine kurze Anregelzeit und notieren Sie sich die Reglerparameter. g. Messen Sie erneut das Führungsverhalten (Regel- und Stellgröße) mit den optimierten Regerparametern und beschreiben Sie die Verbesserung. 4.2 Durchführung Zur Aufnahme der Kennwerte der Durchflussstrecke werden nur die Pumpe (M2) und der Durchflussmeter benötigt. Schließen Sie dazu den Ausgang X des PROFI CASSY an den Eingang der Pumpe (M2) an. Um die Durchflussrate vom Wasser zu messen, ist eine Verbindung vom Ausgang des Durchflussmeters (C Flow Rate ) zum Eingang A des PROFI CASSY herzustellen. Wenn dies erfolgt ist, nehmen Sie die geforderten Messungen auf. Bei der Regelung der Durchflussmenge (C Flow Rate ) wird die Reglungsgröße (Durchflussmenge) zum Regler zurückgekoppelt. Dazu wird der Ausgang vom Durchflussmeter mit dem negativen Eingang der Additionsstelle des Reglers verbunden. Weiterhin wird die Stellgröße vom Regler mit dem Eingang der Pumpe (M2) verbunden. Der Sollwert für den Regler wird mit dem Sollwertgeber eingestellt, dazu ist eine Brücke vom Sollwertgeber zur positiven Additionsstelle einzubauen. Um den Sollwert mit dem PROFI CASSY zu steuern, ist eine Verbindung vom Ausgang X des PROFI CASSY mit dem Referenzeingang des Sollwertgebers herzustellen. Je nachdem welcher Sollwert genutzt werden soll, ist der Kippschalter am Sollwertgeber in die jeweilige Stellung zu stellen. Anschließend nehmen Sie mit PROFI CASSY die geforderten Messungen auf. Hinweis: Der in Abbildung 1 dargestellte Differenzdruckmesser (4. Komponente von links) wird nur für die Füllstandregelung benötigt. Bei der Messung der Streckenparameter und bei der Regelung danach, ist darauf zu achten, dass das Ventil V1 komplett geöffnet ist. V1_SS2014_R006-4 -
5 Versuch 2: Füllstandregelung Versuch 1 Füllstandsregelung 5.1 Zielsetzung: Regelung und Optimierung der Füllstandhöhe. a. Bestimmen Sie das Verhalten und die Kennwerte der Füllstandsstrecke. b. Wählen Sie für die Regelstrecke einen geeigneten Reglertyp aus. Begründen Sie Ihre Wahl. c. Berechnen Sie für den Reglertyp nach einer von Ihnen gewählten Einstellregel die notwendigen Reglerparameter. Begründen Sie die Auswahl der Einstellregel. d. Messen Sie das Führungsverhalten der Füllstandsregelung (Regel- und Stellgröße) und bestimmen Sie die Kennwerte. e. Welche Eigenschaften besitzt das Regelungssystem. (Stichpunkte) f. Optimieren Sie die Regelung für eine kurze Anregelzeit und notieren Sie sich die Reglerparameter. g. Messen Sie erneut das Führungsverhalten (Regel- und Stellgröße) mit optimierter Regelung und beschreiben Sie die Verbesserung. 5.2 Durchführung Für die Messung der Streckenparameter werden nur die Pumpe, der Tank mit dem Tauchrohr und der Differenzdrucksensor benötigt. Zum Ansteuern der Pumpe wird wie im vorherigen Versuch der Ausgang X vom PROFI CASSY mit dem Eingang M2 der Pumpe verbunden. Gemessen wird der Ausgang vom Differenzdrucksensor, welcher mit dem Eingang A vom PROFI CASSY verbunden wird. Legen Sie zur Bestimmung der Streckenparameter, an die Pumpe, eine Spannung von 4V an. Das Ventil V2 sollte dabei ganz offen stehen. Stellen Sie nun, während der Zylinder mit Wasser gefüllt wird, das Ventil V1 so ein, dass eine mittlere Beharrungshöhe von 125 erreicht wird. Notieren Sie sich die Spannung der erreichten Beharrungshöhe und verändern Sie die Stellung des Ventils V1 nicht mehr. Nach dem Ablassen des Tanks beginnen Sie mit der Aufnahme der Sprungantwort. Während die Messung läuft können Sie sich wichtige Punkte im Funktionsverlauf markieren (z.b.: Beharrungshöhe). Wenn eine anhaltend stabile Beharrungshöhe erreicht ist, stoppen Sie die Messung. Nehmen Sie nach der Einstellung des Reglertyps und der Reglerparameter, die weiter geforderten Messungen auf. Bauen Sie dazu den kompletten Regelkreis mit dem Differenzdrucksensor auf. Verbinden Sie dazu den Ausgang des Differenzdrucksensors mit der negativen Additionsstelle des Reglers und den Ausgang vom Regler mit den Pumpeneingang M2. Weiterhin werden der Ausgang vom PROFI CASSY mit dem Referenzeingang vom Sollwertgeber und der Ausgang vom Differenzdrucksensor mit dem Eingang A des PROFI CASSY verbunden. Der Regelkreis sollte jetzt wie in Abbildung 1 aussehen. V1_SS2014_R006-5 -
Versuch 1 Füllstandsregelung 6 Auswertung a. Beurteilen Sie die von Ihnen gewählten Reglerparameter von der Durchflussund Füllstandsregelung. b. Welche Reglerparameter und um welche Größe wurden diese zur Optimierung nachgestellt? c. Durch welche Reglerparameter und in welche Richtung kann die Anregelzeit verkürzt werden? d. Notieren Sie systematische Fehler der Messanordnung. e. Notieren Sie zufällige Fehler der Messanordnung. V1_SS2014_R006-6 -