Aeronautica	Comunicatii	Constructii	Electronica	Navigatie	Pompieri
	Tehnica mecanica

Tehnica mecanica

Index » inginerie » Tehnica mecanica
» CONDUCEREA AUTOMATA A PROCESELOR INDUSTRIALE - Reglarea nivelului de lichid utilizand instalatia didactica Quancer

CONDUCEREA AUTOMATA A PROCESELOR INDUSTRIALE - Reglarea nivelului de lichid utilizand instalatia didactica Quancer

 

1. Notiuni teoretice

Descrierea instalatiei de laborator

Instalatia de laborator didactica pentru reglarea nivelului de lichid consta intr-un sistem de rezervoare cuplate. Sistemul de rezervoare cuplate este un modul 'Quanser water level control two tank module', constand in doua rezervoare, o pompa si un bazin de apa. Cele doua rezervoare sunt montate pe o platforma astfel incat lichidul din primul rezervor se scurge printr-un orificiu localizat la baza sa, in cel de-al doilea rezervor si in final in bazinul de apa situat la baza platformei. Pompa antreneaza apa vertical spre doua orificii conectate direct, "Out 1"si "Out 2", cele doua orificii avand diametre diferite. Platforma de laborator contine pe langa cele doua rezervoare cuplate, interfata de putere modulul UPM 2405 Quanser, o placa de achizitie de date cu 4 intrari si respectiv 4 iesiri analogice, software-ul WinCon si RTW pentru simularea in timp real.

Asemenea configuratii de rezervoare cuplate se pot intalni in sistemele industriale din petrochimie, la fabricarea hartiei si/sau in instalatiile de tratare a apei.

Scopul lucrarii

Pe instalatia de laborator se pot efectua urmatoarele experimente:

Proiectarea sistemelor de reglare a nivelului apei in sistemele de rezervoare cuplate utilizand diverse metode de acordare a regulatoarelor (metoda de plasare a polilor, liniarizarea prin comanda neliniara etc.).

Studiul sistemelor de reglare a nivelului de lichid in rezervoarele in cascada.

Detectia si localizarea defectelor in sistemele de reglare.

Exista posibilitatea realizarii unor configuratii de reglare a nivelului, utilizand diverse structuri de reglare. Se incepe cu sistemul de rezervoare cuplate in configuratia din figura 1, utilizand diverse scheme de reglare cum ar fi:

schema PI-Feedforward neliniara folosita pentru a controla nivelul apei din rezervorul 1, printr-un amplificator de putere ce comanda pompa de recirculare a apei denumita configuratia 1.

schema de reglare PI-Feedforward neliniara utilizata pentru a controla nivelul apei din rezervorul 2, in functie de apa ce se scurge din rezervorul 1, situat deasupra acestuia, cu reactie interna dupa nivelul de lichid din rezervorul 1, denumita configuratia 2.

Variabilele celor doua sisteme, nivelul de lichid din rezervorul 1, L₁ si nivelul de lichid din rezervorul 2, L₂, sunt masurate cu senzorii de presiune montati la baza fiecarui recipient si pot fi observate direct pe riglele gradate situate in spatele recipientilor transparenti.

In aceasta platforma se studiaza reglarea nivelului de lichid in cele doua rezervoare ale instalatiei, accentul fiind pus pe proiectarea si implementarea a doua sisteme de reglare ce corespund la doua configuratii diferite ale sistemului de rezervoare cuplate denumite configuratia 1 si respectiv configuratia 2:

in configuratia 1 - se regleaza nivelul apei in rezervorul superior, adica rezervorul 1 prin tensiunea de comanda aplicata pompei.

in configuratia 2 - se regleaza nivelul apei in rezervorul de jos, adica rezervorul 2, in functie de apa ce se scurge din rezervorul de sus.

Sistemul in configuratia 1 este un sistem SISO (Single Input Single Output), adica un sistem cu o singura intrare si o singura iesire. Pompa alimenteaza rezervorul 1, iar rezervorul 2 nu este luat in considerare. In configuratia 2, sistemul este tot un sistem SISO dar cu cuplare de stare.

1.3. Descrierea componentelor

instalatiei

Instalatia de laborator include urmatoarele module hardware si software:

- sistemul de rezervoare cuplate: Quanser Coupled Tanks (figura 2).

- modulul de putere: Quanser UPM 2405 (figura 3).

- software pentru masurarea in timp real: Configuratia WinCon-Simulink-RTX.

placa de achizitie cu 4 intrari si 4 iesiri: Quanser MultiQ PCI/MQ3/Q8, NI-E (figura 4.).

1.4. Conexiuni necesare pentru sistemul de rezervoare cuplate

Pentru a conecta sistemul trebuie sa se urmeze procedura de conectare necesara pentru sistemul de rezervoare cuplate. Sunt prezentate conexiunile pentru cele trei module principale ale sistemului: UPM-ul (amplificatorul de putere) (Figura 3), terminalul placii de achizitie (Figura 4), pompa si senzorii de presiune (Figura 5).

Sunt necesare urmatoarele tipuri de cabluri ce fac legaturile intre cele 3 module:

1. Cablul 3 notat in figurile 7 si 5, transfera semnalele analogice, preluate de la senzorii instalatiei (de exemplu, senzorii de presiune), neschimbate, de la modulul UPM 2405 la canalele de intrare numeric-analogice ale placii de achizitie.

Acest cablu, notat in figurile 6 si 7 cu 4 transmite semnalele analogice de la unul sau doi senzori ai instalatiei (de exemplu, senzori de presiune) la modulul UPM 2405, unde semnalele pot fi monitorizate si/sau utilizate de catre un controller analogic.

Acest cablu notat in figurile 7 si 3 cu 1, conecteaza o iesire analogica a placii de achizitie cu UPM-ul pentru o amplificare adecvata a tensiunii.

- 4. Acest cablu conecteaza iesirea modulului de putere cu elementul de executie dorit (de exemplu, pompa).

2. Modelarea matematica a instalatiei de laborator

In figura 6 este prezentata schema circuitului hidraulic al instalatiei pe care este figurata schema sistemului de reglare automata a nivelului in cei doi recipienti.

Debitele de iesire din cele doua rezervoare in regim stationar, F₀₁, respectiv F₀₂ pot fi exprimate astfel:

F=

F_o2= (1)

unde A₀₁, A_o2 reprezinta ariile sectiunilor transversale ale orificiilor de iesire, iar, reprezinta vitezele de scurgere a lichidului din rezervorul 1 si respectiv rezervorul 2.

Aplicand ecuatia lui Bernoulli pentru orificiile mici, viteza de scurgere din rezervorul 1, , respectiv viteza de scurgere din rezervorul 2, , pot fi exprimate astfel:

    (2)

Dar ariile sectiunilor transversale ale orificiilor de iesire ale celor doua rezervoare, pot fi calculate astfel:

=

A_o2 =

Debitele de iesire din cele doua rezervoare date in ecuatia (1), devin:

Dar, folosind ecuatia de bilant de masa in regim dinamic pentru cele doua rezervoare, se obtin doua ecuatii diferentiale de ordinul 1:

=

= (5)

Inlocuind in ecuatia (4) ,, , cu expresiile date de ecuatia (2) si respectiv ecuatia (3) rezulta urmatoarele ecuatii pentru cele doua rezervoare:

(6)

In aceste ecuatii s-a considerat ca debitul pompei F_i1 este proportional cu tensiunea de comanda V_p, F_i1=k_pV_p.

La echilibru toti termenii derivatelor in raport cu timpul sunt zero si ecuatia (6) devine:

(7)

Rezolvand ecuatia (7) pentru se obtine tensiunea de comanda a pompei la echilibru. V_p0 este functie de L₁₀ si K_p.

(8)

Aplicand dezvoltarea in serie Taylor in jurul valorilor de regim stationar (L₁₀, L₂₀) pentru cele doua ecuatii ale rezervoarelor rezulta:

(9)

unde A(*), reprezinta variatiile variabilelor procesului in jurul valorilor de regim stationar.

Primul termen din fiecare ecuatie este egal cu zero, corespunzand regimului stationar de echilibru din ecuatiile (6) si (7).

Ecuatiile (9) au urmatoarele forme ce descriu variatiile nivelului de apa din cele doua rezervoare, in jurul valorilor stationare L₁₀ si respectiv L₂₀:

Aplicand transformata Laplace in ecuatiile (10) se obtine forma operationala a sistemului de ecuatii ce descriu comportarea in regim dinamic a ansamblului de doua rezervoare cuplate:

unde:

;

    (12)

;

La aceste ecuatii corespunde schema bloc echivalenta pentru cele doua rezervoare, prezentata in figura 7.

;

Se considera urmatoarele valori pentru regimul stationar:

L₁₀=L₂₀=15[cm];

Pentru regimul stationar considerat, valorile parametrilor sistemului pentru rezervorul 1 sunt

= 3.2 ; T = 15.2 [s]

Similar, valorile parametrilor sistemului pentru rezervorul 2 sunt

; (15)

Acest model liniarizat va fi folosit pentru proiectarea sistemelor de reglare a nivelului utilizand metodele clasice. Pentru introducerea reactiei feedforward neliniara si pentru verificarea pe model a structurilor de reglare este necesar sa se utilizeze modelul neliniar al ansamblului de recipienti (6) ce poate fi adus la forma (16).

unde: A_t1 si A_t2 reprezinta ariile sectiunilor transversale ale rezervoarelor, Fi1, Fi2 sunt debitele de intrare ale celor doua rezervoare, debitul pompei Fi1 = kpUp, Fo1, Fo2 reprezinta debitele de iesire din cele doua rezervoare.

In regim stationar sunt verificate urmatoarele relatii:

(17)

In figura 8 este prezentata schema sistemului de reglare a nivelului in recipientul 2 utilizand modele neliniare ale rezervoarelor corespunzatoare ecuatiei (16) unde k_p este debitul pompei, iar .

3. Structuri de reglare posibile

a) Configuratia 1: Specificatiile nivelului in rezervorul 1

Fig. 9. Schema simbolica a sistemului de reglare pentru Configuratia 1

In Configuratia 1 se ia in considerare un singur rezervor, respectiv rezervorul superior.

Prin proiectarea sistemului in circuit inchis se urmareste sa se controleze nivelul apei in rezervorul 1 prin tensiunea de comanda aplicata pompei.

Schema de reglare contine un regulator de tip PI - Feedforward conform figurii 9. Este necesar sa fie indeplinite urmatoarele cerinte:

- Nivelul operational L₁₀ in rezervorul 1 trebuie sa aiba valoarea: L₁₀=15[cm].

- Depasirea maxima admisa ar trebui sa fie mai mica de 1%: 11.0 [%].

- Timpul de raspuns trebuie sa fie mai mic de 5 sec: T_s-1 ≤ 5 sec.

- Raspunsul sistemului nu trebuie sa aiba eroare stationara.

b) Configuratia 2: Specificatiile nivelului in rezervorul 2

In Configuratia 2 pompa antreneaza lichidul (apa) din rezervorul 1 care la randul lui alimenteaza rezervorul 2. Proiectarea sistemului in circuit inchis urmareste reglarea nivelului apei in rezervorul 2 (rezervorul inferior) care se scurge din rezervorul 1 amplasat deasupra lui.

Similar cu configuratia 1, schema de reglare este bazata pe o lege de reglare de tip PI- feeforward si este prezentata in figura 10.

In plus, structura sistemului de reglare a nivelului in rezervorul 2, corespunde unei reglari in cascada, in care bucla interioara (LC1 - vezi figura 10) asigura reglarea nivelului in rezervorul 1, similar ca la configuratia 1.

Marimea prescrisa a regulatorului LC1 este data de marimea de iesire din regulatorul LC2. Reactia feedfoward la acest regulator este data de ecuatia debitului de curgere F₀₁=F_i2.

Fig. 10. Schema simbolica a sistemului de reglare pentru Configuratia 2

c) Acordarea regulatorului de tip PI in rezervorul 1 folosind metoda 'pole placement' (plasarea polilor)

Prin definitie, la punctul static de echilibru (L₁₀ V_p0) (Marime masurata L₁=L_{r_1} referinta):

si (

Se urmareste introducerea unei comenzi neliniare in raport cu marimea prescrisa furnizand componenta V_{p_ff} ce va lucra in paralel cu regulatorul de tip PI ce prelucreaza eroare sistemului furnizand componenta V_p1 la comanda pompei (vezi figura11). Acest lucru asigura o componenta continua la comanda pompei, ce va fi o functie neliniara de marimea prescrisa.

Aceasta comanda neliniara rezulta din egalitatea dintre debitul pompei F_p k_pV_p cu debitul de curgere din rezervorul 1 F₀₁ (ecuatia 7) va fi de forma:

V_{p_ff}=K_{ff_1}    (20)

unde K_{ff_1} se deduce din ecuatia de echilibru in regim stationar (7) si are forma urmatoare:

(21)

Valoarea acestui parametru este:

(22)

Considerand partea liniara a sistemului de reglare din figura 11, se determina functia de transfer a sistemului in circuit inchis de forma:

(23)

Ecuatia caracteristica a sistemului in circuit inchis rezulta din ecuatia (24).   

(25)

Se impune un raspuns oscilant amortizat, pentru care avem:

    (26)

Din echivalenta celor doua relatii (25) si (26) rezulta:

    (27)

    (28)

De unde rezulta parametrii de acordare ai regulatorului:

; (29)

Parametrii regulatorului PI sunt de forma:

;  ; (30)

Factorul minim de amortizare ce asigura suprareglajul maxim cerut, PO₁, poate fi obtinut prin rezolvarea ecuatiei functiei de transfer H₁₀(s) si deci va rezulta urmatoarea relatie de definitie:

(31)

Daca se impune timpul de raspuns al sistemului t_{s_1}, atunci pulsatia sistemului,, poate fi calculata astfel:

(32)

Din (32), (31) si (30), vor rezulta valorile parametrilor regulatorului de tip PI de forma:

; (33)

Functia de transfer in circuit deschis se poate scrie sub forma:

(34)

Fig. 11. Bucla de reglare PI pentru nivelul apei din rezervorul 1

d) Acordarea regulatorului de tip PI in rezervorul 2 folosind metoda 'pole placement' (plasarea polilor)

Prin definitie, la punctul static de echilibru (L₂₀, L₁₀) (Marime masurata L₂=L_{r_2} referinta):

( si ( (35)

Regulatorul LC2 furnizeaza marimea prescrisa L_{r_1} pentru bucla de reglare interna ce asigura reglarea nivelului in rezervorul 1. Pentru cresterea performantelor sistemului, L_{r_1} este formata din doua componente (vezi figura 12):

L₁₁ ce este furnizata de componenta PI a regulatorului prelucrand eroarea.

L_{ff_1} (feedforward) componenta neliniara, constanta, functie de marimea prescrisa L_{r_2} aplicata sistemului de reglare in asa fel incat sa asigure egalitatea debitelor (ecuatia 4).

F₀₁=F₀₂     (36)

Din ecuatia (36) rezulta K_{ff_2} de forma: (37)

Valoarea acestui parametru pentru caracteristicile rezervoarelor este:

Functia de transfer in circuit inchis pentru rezervorul 2 este definita astfel:

    (39)

Debitul pompei de alimentare F_p este mult mai mare decat debitul de evacuare F₀₁ al rezervorului 1.

Se va considera, pentru simplificarea proiectarii regulatorului LC2, ca sistemul de reglare a debitului LC1 va raspunde mult mai rapid decat sistemul de reglare in rezervorul 2. In acest caz, oscilatiile nivelului de apa din rezervorul 1 sunt neglijabile.

Deci, se pot scrie astfel:

; (40)

In acest caz, functia de transfer in circuit deschis se exprima sub forma:

(41)

In acest caz, functia de transfer in circuit inchis devine:

(42)

Ecuatia caracteristica a sistemului in circuit inchis este de forma:

    (44)

Se impune un raspuns oscilant amortizat, pentru care avem:

    (45)

Din echivalenta celor doua relatii (45) si (44) rezulta:

    (46)

    (47)

De unde rezulta parametrii de acordare ai regulatorului:

; (48)

Parametrii regulatorului PI sunt de forma:

;

Factorul minim de amortizare ce asigura suprareglajul maxim cerut, PO₂, poate fi obtinut prin rezolvarea ecuatiei functiei de transfer H₂(s) si deci va rezulta urmatoarea relatie de definitie:

Daca se impune timpul de raspuns al sistemului t_{s_1}, atunci pulsatia sistemului, poate fi calculata astfel:

(51)

Din (51), (50) si (49), vor rezulta valorile parametrilor regulatorului de tip PI de forma:

regulatorului de tip PI pentru rezervorul 2:

4. Chestiuni de studiat

In aceasta platforma de laborator se urmareste proiectarea structurii de reglare si experimentare pentru configuratia 1 si respectiv pentru configuratia 2, cu precizarea urmatoarelor aspecte:

1) - determinarea modelului matematic al rezervoarelor cuplate;

2) - proiectarea prin metoda plasarii polilor a unui regulator de tip PI-plus-feedforward pentru sistemul de rezervoare cuplate astfel incat sa se indeplineasca cerintele de proiectare pentru fiecare configuratie;

3) - implementarea in timp real si evaluarea performantelor sistemului.

In acest scop, studentii trebuie sa realizeze urmatoarele doua lucrari:

Lucrarea 1) - Proiectarea structurii de reglare si experimentare pentru configuratia 1.

Lucrarea 2) - Proiectarea structurii de reglare si experimentare pentru configuratia 2.

5. Experimente de laborator

5.1. Lucrarea RC1. Proiectarea structurii de reglare si experimentare pentru configuratia 1

1. Scopul lucrarii

- In cadrul lucrarii de laborator se urmareste studierea aspectelor legate de proiectarea structurilor de reglare si implementarea in timp real a instalatiei de laborator pentru reglarea nivelului in tankul 1, utilizand doua tancuri cuplate.

2) Chestiuni de studiat

a)- determinarea modelului matematic al rezervoarelor cuplate;

b)- proiectarea prin metoda plasarii polilor a unui regulator de tip PI-plus-feedforward pentru sistemul de rezervoare cuplate astfel incat sa se indeplineasca cerintele de proiectare pentru configuratia 1;

c)- implementarea in timp real si evaluarea performantelor sistemului.

3) Modul de lucru

a)- se determina modelul matematic al rezervoarelor cuplate conform ecuatiei (11) si se determina functiile de transfer ce caracterizeaza sistemul in domeniul Laplace conform punctului 2 al platformei, respectiv ecuatia (13).

b)- pentru proiectarea prin metoda plasarii polilor a unui regulator de tip PI-plus-feedforward pentru sistemul de rezervoare cuplate este necesar sa se utilizeze mediile de programare Matlab - Simulink, C++, modulul UPM 2405 Quanser si placa de achizitie de date cu 4 intrari si respectiv 4 iesiri analogice si se in acest scop se parcurg urmatorii pasi:

Pasul 1. Se lanseaza softul Matlab 8.1. In functie de configuratia sistemului, se deschide programul din Simulink cu numele q_tanks_1_ZZ.mdl, unde ZZ vine fie de la q4 sau q8. Trebuie sa se obtina o diagrama similara cu cea din figura 13. Modelul reprezentat implementeaza bucla de reglare PI in circuit inchis.

Se deschid subsistemele modelului studiat asa cum se poate observa in figura 14. Trebuie sa se verifice daca proprietatile blocului generator de semnal, sunt setate astfel incat sa se obtina un semnal dreptunghiular cu amplitudinea cm si frecventa 0.05 Hz. Variatia maxima a nivelului de lichid pentru rezervorul 1 trebuie sa fie in jur de +/- 1 cm in jurul nivelului de lichid dorit. Se fixeaza referinta L₁₀=15 pentru configuratia 1. Trebuie precizat ca un filtru trece-jos cu frecventa de 2.5 Hz este adaugat semnalului de la iesire. Acest filtru este necesar pentru a atenua variatia zgomotele de masurare ce pot apare. Este necesar ca nivelul de apa fie din rezervorul 1, fie din rezervorul 2 sa nu scada sub 30cm ('L_{1_MAX}') sau 25cm ('L_{2_MAX}').

Pasul 2. Se intra in Editor: d_tanks_2m si se configureaza parametrii. In fereastra Matlab se schimba Current Directory la C: Programul Files Matlab 7.1 work: Lab Design Files.

Se lanseaza programul setup_tanks_parameters.m. Se lanseaza programul denumit setup_lab_tanks.m. Este necesar ca CONTROLLER-TYPE sa fie setat pe manual. Acest program initializeaza toti parametrii de modelare ai rezervoarelor cuplate si variabilele configuratiei definite de utilizator necesare schemei Simulink: K_{p_1} , K_{i_1}, K_{ff_1}, K_dc

Se vor putea vizualiza valorile parametrii regulatorului de tip PI:

K_p_₁=7,2152 V/cm

K_i_₁=9,1061 V/s/cm

K_{ff_1}=2,3911 V/cm^{^}0.5

Pasul 3. In fereastra Matlab se vor observa pasii pe care ii efectueaza software-ul Matlab pentru a construi sursa C WinCon Server.

Se va deschide fereastra: q_tanks_2_q4_WinCon Client=tank 2 utilizand placa de achizitie q4 (cu 4 intrari) si folosind software-ul WinCon Client se vor observa caracteristicile programului: perioada de esantionare, intervalul de achizitie etc.

Se estimeaza performanta actuala a raspunsului nivelului si se compara cu cerintele de proiectare. Se masoara procentajul suprareglajului si timpul de raspuns.

Observatie. Pentru a masura cu precizie suprareglajul si timpul de raspuns se selecteaza Freeze Plot din meniul WinCon Scope Update si apoi se reduce intervalul de timp din fereastra casetei de intrare Set Time Interval prin meniul Axis/Time. Se pot salva graficele intr-un fisier Matlab pentru procesarile viitoare. Se poate realiza acest lucru folosind selectia File/Save din bara de meniu WinCon Scope.

c). Pentru implementarea in timp real si evaluarea performantelor sistemului, este necesar sa se ruleze software-ul WinCon si RTW pentru simularea in timp real astfel incat sa se vizualizeze raspunsurile in timp real ale sistemului L1 Resp.(cm). In acest scop se parcurg urmatorii pasi:

Pasul 4. Se intra in SimulationConfigurations ParametersReal TimeGenerate Code Only si se apasa butonul ″Build″. Folosind optiunea WinCon Build din bara de meniu a Simulink-ului se porneste deci simularea in timp real. La apasarea butonului ″START″ se porneste instalatia si sistemul de reglare, iar oprirea se face din butonul ″STOP″ ce inlocuieste butonul″START″.

Pasul 5. Apasand butonul ″START″ trebuie ca pompa sa antreneze apa astfel incat nivelul in rezervorul 1 sa atinga valoarea de regim stationar L₁₀. Dupa o intarziere setata la 15 sec (pentru a se atinge starea de echilibru a sistemului), intra in functiune generatorul de semnal dreptunghiular ″Position SetPoint″ (vezi figura 21) care modifica marimea prescrisa cu cm in jurul valorii stationare L₁₀ fixata prin modulul ″Operating Level″. In acest mod se studiaza raspunsul sistemului la variatiile dreptunghiulare ale marimii prescrise. In timpul functionarii sistemului de reglare se pot modifica din fereastra Simulink (figura 21) atat marimea L^*₁₀, cat si forma semnalului (sinusoidal, triunghiular), frecventa si amplitudinea sa de la blocul generator ″Position Setpoint″.

Pasul 6. Pentru vizualizarea variatiilor in timp real a diferitelor variabile ale procesului, se apasa icoana de osciloscop din fereastra WinCon Server de pe ecran si in fereastra ce se va deschide se seteaza parametrul dorit a fi afisat.

Se pot seta urmatoarele afisaje:

Din L₁ Resp [cm] se initiaza afisajele numerice cu valorile nivelurilor de lichid in recipienti.

Din L₁_meas [cm], L₂_meas [cm] si Vp Command [V] se initiaza afisajele grafice ale celor trei marimi L₁, L₂ si respectiv comanda Vp a pompei.

Aceste grafice se pot prelucra (caroiaj (grid), culori, reprezentare axe, etc) si se pot importa in Word cu Copy figurile de la butonul Edit al graficului.

In butonul din fereastra graficului ″Update/Buffer″, se selecteaza dimensiunea ″Buffer Size″ cu valoarea timpului dorit pentru inregistrare, uzual 50 sec. Acest lucru se realizeaza pentru fiecare grafic deschis pe ecran; pe grafice apar variatiile raspunsurilor cu diferite culori, ca in figura16.

4) Rezultate experimentale

In figura 16 se prezinta raspunsurile sistemului la perturbatii, iar in figurile 17 si respectiv 18 se poate observa raspunsul real si simulat al nivelului de lichid L₁.

5. Continutul referatului

- un scurt breviar teoretic al descrierii instalatiei de laborator;

- calculul functiilor de transfer pentru cele doua rezervoare;

- valorile parametrilor masurati K_{p_1} , K_{i_1} si K_{ff_1} pentru configuratia 1 in urma proiectarii utilizand metoda plasarii polilor a unui regulator de tip PI plus - feedforward.

- variatiile nivelului de lichid L₁ in rezervorul 1.

- compararea nivelul real al lichidului in rezervorul 1 cu raspunsul simulat.

- precizarea diferentelor existente intre rezultate.

Lucrarea RC2. Proiectarea structurii de reglare si experimentare pentru configuratia 2

1. Scopul lucrarii

- In cadrul lucrarii de laborator se urmareste studierea aspectelor legate de proiectarea structurilor de reglare si implementarea in timp real a instalatiei de laborator pentru reglarea nivelului in tancul 1, utilizand doua tancuri cuplate.

2) Chestiuni de studiat

a)- determinarea modelului matematic al rezervoarelor cuplate;

b)- proiectarea prin metoda plasarii polilor a unui regulator de tip PI-plus-feedforward pentru sistemul de rezervoare cuplate astfel incat sa se indeplineasca cerintele de proiectare pentru configuratia 2;

c)- implementarea in timp real si evaluarea performantelor sistemului.

3) Modul de lucru

a). Determinarea modelului matematic al rezervoarelor cuplate.

- Se determina modelul matematic al rezervoarelor cuplate conform ecuatiei (11) si se determina functiile de transfer ce caracterizeaza sistemul in domeniul Laplace conform ecuatiei (13).

b) Proiectarea prin metoda plasarii polilor a unui regulator de tip PI-plus-feedforward pentru sistemul de rezervoare cuplate astfel incat sa se indeplineasca cerintele de proiectare pentru fiecare configuratie.

- Pentru aceasta este necesar sa se utilizeze mediile de programare Matlab - Simulink, C++, modulul UPM 2405 Quanser si placa de achizitie de date cu 4 intrari si respectiv 4 iesiri analogice si se parcurg urmatorii pasi:

Pasul 1. Se lanseaza softul Matlab 8.1. In functie de configuratia sistemului se deschide programul din Simulink cu numele q_tanks_1_ZZ.mdl, unde ZZ vine fie de la q4 sau q8. Trebuie sa se obtina o diagrama similara cu cea din figura 19. Modelul implementeaza bucla de reglare PI in circuit inchis.

Se deschid subsistemele modelului studiat asa cum se poate observa in figura 18. Trebuie sa se verifice daca proprietatile blocului generator de semnal, sunt setate astfel incat sa se obtina un semnal dreptunghiular cu amplitudinea si frecventa 0.05 Hz. Variatia maxima a nivelului de lichid pentru rezervorul 1 trebuie sa fie in jur de +/- 1 cm in jurul nivelului de lichid dorit. Se fixeaza referinta L₂₀=15 pentru configuratia 2. Trebuie precizat ca un filtru trece-jos cu frecventa de 2.5 Hz este adaugat semnalului de la iesire. Acest filtru este necesar pentru a atenua variatia zgomotele de masurare ce pot apare. Este necesar ca nivelul de apa fie din rezervorul 1, fie din rezervorul 2 sa nu scada sub 30cm ('L_{1_MAX}') sau 25cm ('L_{2_MAX}').

Pasul 2. Pasul 2. Se intra in Editor: d_tanks_2m si se configureaza parametrii. In fereastra Matlab se schimba Current Directory la C: Programul Files Matlab 7.1 work: Lab Design Files.

Se lanseaza programul setup_tanks_parameters.m.

Se lanseaza programul denumit setup_lab_tanks.m. Este necesar ca CONTROLLER-TYPE sa fie setat pe manual. Acest program initializeaza toti parametrii de modelare ai rezervoarelor cuplate si variabilele configuratiei definite de utilizator necesare schemei Simulink: K_{p_2} , K_{i_2}, K_{ff_2}, K_dc

Se vor putea vizualiza valorile parametrii regulatorului de tip PI:

K_p_₂=7,2152 V/cm, K_i_₂=9,1061 V/s/cm, K_{ff_2}=2,3911 V/cm^{^}0.5.

Se ruleaza fisierul denumit setup_lab_tanks.m. Este necesar ca CONTROLLER-TYPE sa fie setat pe manual. Acest fisier initializeaza toti parametrii de modelare ai rezervoarelor cuplate si variabilele configuratiei definite de utilizator necesare schemei Simulink.

Pasul 3. In fereastra Matlab se vor observa pasii pe care ii efectueaza software-ul Matlab pentru a construi sursa C WinCon Server.

Se va deschide fereastra: q_tanks_1_q4_WinCon Client=tank 1 utilizand placa de achizitie q4 (cu 4 intrari) si folosind software-ul WinCon Client se vor observa caracteristicile programului: perioada de esantionare, intervalul de achizitie etc.

Se estimeaza performanta actuala a raspunsului nivelului si se compara cu cerintele de proiectare. Se masoara procentajul suprareglajului si timpul de raspuns.

Observatie. Pentru a masura cu precizie suprareglajul si timpul de raspuns, se selecteaza ″Freeze Plot″ din meniul ″WinCon Scope Update″ si apoi se reduce intervalul de timp din ferestra casetei de intrare Set Time Interval prin meniul ″Axis/Time″. Se pot salva graficele intr-un fisier Matlab pentru procesarile viitoare. Se poate realiza acest lucru folosind selectia File/Save din bara de meniu WinCon Scope.

c). Implementarea in timp real si evaluarea performantelor sistemului.

Este necesar sa se ruleze software-ul WinCon si RTW pentru simularea in timp real astfel incat sa se vizualizeze raspunsurile in timp real ale sistemului L₂_Resp[cm]. In acest scop se parcurg urmatorii pasi:

Pasul 4. Se intra in SimulationConfigurations ParametersReal TimeGenerate Code Only si se apasa butonul ″Build″. Folosind optiunea WinCon Build din bara de meniu a Simulink-ului se porneste deci simularea in timp real. La apasarea butonului ″START″ se porneste instalatia si sistemul de reglare, iar oprirea se face din butonul ″STOP″ ce inlocuieste butonul ″START″.

Pasul 5. Apasand butonul ″START″ trebuie ca pompa sa antreneze apa umpland rezervorul 1 pana la nivelul sau de operare L₁₀, iar nivelul in rezervorul 2 sa atinga valoarea de regim stationar L₂₀. Dupa o intarziere setata la 15 sec (pentru a se atinge starea de echilibru a sistemului), intra in functiune generatorul de semnal dreptunghiular ″Position SetPoint″ (vezi figura 21) care modifica marimea prescrisa cu cm in jurul valorii stationare L₂₀ fixata prin modulul ″Operating Level″. In acest mod se studiaza raspunsul sistemului la variatiile dreptunghiulare ale marimii prescrise.

In timpul functionarii sistemului de reglare se pot modifica din fereastra Simulink (figura 21), atat marimea L^*₂₀, cat si forma semnalului (sinusoidal, triunghiular), frecventa si amplitudinea sa de la blocul generator ″Position Setpoint″.

Pasul 6. Pentru vizualizarea variatiilor in timp real a diferitelor variabile ale procesului, se apasa icoana de osciloscop din fereastra WinCon Server de pe ecran si in fereastra ce se va deschide se seteaza parametrul dorit a fi afisat.

Se pot seta urmatoarele afisaje:

Din L₁ Resp [cm] se initiaza afisajele numerice cu valorile nivelurilor de lichid in recipienti.

Din L₁_meas [cm], L₂_meas [cm] si Vp Command [V] se initiaza afisajele grafice ale celor trei marimi L₁, L₂ si respectiv comanda Vp a pompei.

Aceste grafice se pot prelucra (caroiaj (grid), culori, reprezentare axe, etc) si se pot importa in Word cu Copy figurile de la butonul Edit al graficului.

In butonul din fereastra graficului ″Update/Buffer″, se selecteaza dimensiunea ″Buffer Size″ cu valoarea timpului dorit pentru inregistrare, uzual 50 sec. Acest lucru se realizeaza pentru fiecare grafic deschis pe ecran; pe grafice apar variatiile raspunsurilor cu diferite culori, ca in figura de mai jos.

4. Rezultate experimentale

In figura 22 se poate observa raspunsul real si simulat al nivelului de lichid L₂, iar in figura 23 este prezentat raspunsul sistemului la perturbatii.

5. Continutul referatului

- un scurt breviar teoretic al descrierii instalatiei de laborator;

- calculul functiilor de transfer pentru cele doua rezervoare;

- valorile parametrilor masurati K_{p_2} ,K_{i_2} si K_{ff_2} pentru configuratia 2 in urma proiectarii utilizand metoda plasarii polilor a unui regulator de tip PI plus - feedforward.

- variatiile nivelului de lichid L₂ in rezervorul 2.

- compararea nivelul real al lichidului in rezervorul 2 cu raspunsul simulat.

- precizarea diferentelor existente intre rezultate.