DIDAKTIČNI PROCESNI MODUL

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

2. 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 LabView;

3. 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;

4. Blokovna shema regulacijskega sistema

5. 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.

6. 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 (LM35), 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.

7. Vezalna shema tiskanega vezja

8. 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.

9. Izdelava ter konfiguracija zank v LabView-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 LabView programu kot DAQ blokci. • Z nastavitvijo le-teh določimo kakšne vrednosti (in v kakšnem območju) preko določenih vhodov zajemamo ter katere izhode krmilimo.

10. Zajemanje in prikaz vrednosti

11. Čelna plošča za prikaz merjenih signalov

12. Čelna plošča regulatorja

13. Zanka za krmiljenje analognega izhoda

14. Zanka za krmiljenje digitalnega izhoda preko PWM

15. Čelna plošča za krmiljenje izhodov

16. 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:

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

18. Point By Point (PtByPt) blokovna funkcija

19. Simulacijski blokci v S-prostoru

20. Funkcija Formula Node

21. Blokec PID • V novejših različicah programa, kot je LabView 10, je funkcija PID že vgrajena. • Funkcija olajša delo in skrajša čas celotne izdelave.

22. 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.

23. Idealni paralelni algoritem • Enačba idealnega paralelnega algoritma: • Blokovna shema:

24. Vezalna shema idealnega paralelnega algoritma:

25. Modificirani paralelni algoritem • Enačba modificiranega paralelnega algoritma: • Blokovna shema:

26. Vezalna shema modificiranega paralelnega algoritma:

27. 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.

28. 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.

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

30. 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.

31. 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 t0, t1 in t2. • Naslednji korak je izračun ojačanja regulatorja ter izračun parametrov PID regulatorja: • S podanimi parametri so zajeti odzivi regulatorja.

32. Prvi sklop parametrov (CV=40%):

33. Odziv sistema z uporabo izračunanih parametrov: • Odziv sistema brez prikazane krmilne veličine:

34. Drugi sklop parametrov (CV=70%):

35. Odziv sistema z uporabo izračunanih parametrov:

36. 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.

37. 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.

38. Prvi sklop parametrov (SV=40%):

39. Odziv sistema z uporabo izračunanih parametrov: • Odziv sistema brez prikazane krmilne veličine:

40. Drugi sklop parametrov (SV=70%):

41. Odziv sistema z uporabo izračunanih parametrov: • Odziv sistema brez prikazane krmilne veličine:

42. 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 t0, t1 in t2. • Naslednji korak je izračun parametrov PID regulatorja brez ojačanja regulatorja: • S podanimi parametri so zajeti odzivi regulatorja.

43. Prvi sklop parametrov (CV=40%):

44. Odziv sistema z uporabo izračunanih parametrov:

45. Drugi sklop parametrov (CV=70%):

46. Odziv sistema z uporabo izračunanih parametrov:

47. 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.

48. 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 LabView; - uporabiti platformo za oddaljeni nadzor nad sistemom preko spleta.