Fizika | Felsőoktatás » Chován Tibor - Kibernetika laboratóriumi gyakorlat

VESZPRÉMI EGYETEM VEGYÉSZMÉRNÖKI KIBERNETIKA TANSZÉK KIBERNETIKA Laboratóriumi gyakorlat (VÍZMELEGÍTŐ) Összeállította: Chován Tibor VESZPRÉM 1995. -2- Veszprémi Egyetem Kibernetika laboratóriumi gyakorlat Vegyészmérnöki Kibernetika Tanszék 1995/96. I félév V. évf Kibernetika Laboratóriumi vízmelegítő rendszer vizsgálata (VÍZMELEGÍTŐ) Feladat: • A vízmelegítő (fűtésvezérlő jel - kilépő vízhőmérséklet szakasz) stacioner jelleggörbéjének felvétele a megadott munkapontokban. • A szakasz ugrásfüggvény bemenetre adott válaszának vizsgálata. Meghatározandó a szakasz erősítése, a holtidő és az időállandók. • Szakasz modell identifikálása a legkisebb négyzetek módszerével. • Digitális PID szabályozó hangolása a kijelölt munkapontban. A szabályozó működésének vizsgálata alapjelváltás és zavarás esetére valamennyi megadott munkapontban. Jegyzőkönyv: Tartalmaznia kell az egyes feladatok

teljes dokumentálását (mérési eredmények, mérési körülmények, Matlab/Simulink programok, eredmények értékelése, stb.) Irodalom: [1] Szeifert-Chován-Nagy: Szabályozó algoritmusok - Szabályozó tervezés, Veszprém, 1995 (3. fejezet: PID alapú szabályozók tervezése, 31-316 oldal). [2] Szeifert-Chován-Nagy-Almásy: Rendszermodellek - Rendszeranalízis, Veszprém, 1994 (2.32 fejezet Bemenet-kimenet modellek, 234-240 oldal; 3. fejezet Identifikálás, 31-37 oldal) fájl (WinWord 6.0): \SERVERD-DRIVELABORKIBERNVIZMDOC 2011.0602 -3- 1. A vízmelegítő rendszer leírása A tanszéki laboratóriumban található elektromos fűtésű vízmelegítő rendszer vázlatos felépítése az 1.1 ábrán látható A lokális szintű irányítás és az adatgyűjtés egy folyamatcsatoló kártyával illesztett PC-n történik a Genie programcsomag segítségével. A fűtés 2 darab 1 kW teljesítményű elektromos fűtőpatronnal történik; a hőmérsékleteket Pt100

hőmérővel mérjük; az átfolyó vízmennyiség mérésére egy turbinás áramlásmérő szolgál. A szabályozó szelep működtetése 2 digitális jellel történik . Az elemek fontosabb adatait a 1.1 táblázat tartalmazza A technológia és a folyamatirányító PC kapcsolatát és fontosabb adatait a 1.2 ábra és az 11 táblázat demonstrálja. A folyamatillesztő kártya csatornakiosztását az 12 táblázatban tartalmazza. 33.5 Tki Tki u Fűtés 33.5 < < Tbe MV Tbe MVO F víz MVC PC PCL-812 F víz víz 1.1 ábra A vízmelegítő rendszer sémája fájl (WinWord 6.0): \SERVERD-DRIVELABORKIBERNVIZMDOC 2011.0602 -4- O U FOLYAMAT- T IRÁNYÍTÓ P PC U T + I N csatoló kártya P (PCL-812) U T Mérések: Analóg input: • Belépő vízhőmérséklet: T be • Kilépő vízhőmérséklet: T ki • Szelep pozíció: L • Vízáram: F víz Beavatkozások: Analóg output: • Fűtésvezérlő jel: u Bináris output: • Szelep nyitás: MVO

(0: nyit) • Szelep zárás: MVC (0: zár) 1.2 ábra A folyamatirányított illesztése fájl (WinWord 6.0): \SERVERD-DRIVELABORKIBERNVIZMDOC 2011.0602 -5- Vízmelegítő készülék: csőszakasz: 2 hossz: 550 mm átmérő: 18 mm Fűtőtest: 2 * 1000 W (220 V, 50 Hz) Szabályozó szelep + végrehajtó: Ganz - Ferroelectric AVM-3 NA80 (220 V, 50 Hz) Hőmérők: 2 db MT 100 platina ellenállás hőmérő 2 db Thermocont M-503A távadó (Nivelco) Áramlásmérő: Turbina (MMG) Turboquant távadó (MKKI) Mérésadatgyűjtő kártyák: PCL-812 16AI/2AO/16BI/16BO PCLD-780 ipari szerelősáv modul 1.1 táblázat A technológiai rendszer elemei fájl (WinWord 6.0): \SERVERD-DRIVELABORKIBERNVIZMDOC 2011.0602 -6. . . Analóg input A/D 10 T be Belépő víz hőmérséklete A/D 11 T ki Kilépő víz hőmérséklete A/D 12 F viz Vízáram A/D 13 L Szelep pozíció . . . Analóg output D/A 0 u Fűtésvezérlő jel . . . Digitális output DO 0 MVO Szelep nyitás

(0: nyit) DO 1 MVC Szelep zárás (0: zár) . . . 1.2 táblázat A PCL 812 kártya csatornakiosztása fájl (WinWord 6.0): \SERVERD-DRIVELABORKIBERNVIZMDOC 2011.0602 -7- 2. Mérési feladatok Az 1.-4 feladatok megoldása során a fizikai rendszeren végzett mérések eredményeit a Genie program segítségével jeleníthetjük meg a képernyőn és menthetjük lemezre. A stacioner jelleggörbe ábrázolása tetszőleges grafikus programmal történhet. Az egységugrásra adott válasz alapján az elsőrendű holtidős model paraméterei grafikusan meghatározhatók [1, 2]. A bemenet-kimenet modell legkisebb négyzetek módszerével történő identifikálását [2] célszerűen a Matlab programcsomag segítségével végezhetjük el. A PID szabályozó hangolása az [1] jegyzetben bemutatott módszerek valamelyikével történhet. A következőkben az identifikálással kapcsolatos Matlab eljárásokat részletesebben is bemutatjuk. 2.1 Identifikálás Az [2] jegyzetben

bemutatott algoritmusok kényelmesen leképezhetők a Matlab-ban, az identifikálási algoritmusoknak egy még szélesebb készlete áll rendelkezésre az Identifikációs Toolbox-ban. Off-line identifikálás Az identifikálás gyakorlati lépéseit nézzük meg először egy másodrendű holtidős rendszeren. A bemenet legyen egy fehérzaj forrás zérusrendű tartószervvel kiegészítve. A mért adatok az Xm mátrixban a Matlab munkaterületre kerülnek. Az off-line LKN algoritmus alkalmazásához állítsuk elő az X megfigyelési mátrixot és az y kimeneti vektort (200 pont): X = [-Xm(4:203,1) -Xm(3:202,1) Xm(2:201,2) Xm(1:200,2)]; y = Xm(5:204,1); Ezután egyszerűen beírható az algoritmus: T = inv(X *X) X y vagy még egyszerűbben (lásd az 1. rész, 14 oldal): T=Xy fájl (WinWord 6.0): \SERVERD-DRIVELABORKIBERNVIZMDOC 2011.0602 -8- A kapott eredmény várakozásunknak megfelelően azonos az objektum paramétereivel. Az Identifikációs Toolbox segítségével a

következőképpen járhatunk el: z = Xm(1:200, :); th = arx(z, [2, 2, 3]); [A, B] = th2arx(th) természetesen röviden így is írhatjuk: [A, B] = th2arx(arx(Xm(1:200, :), [2, 2, 3])) Ebben a formában már gyorsan kipróbálhatjuk például egy elsőrendű modell illesztését is: th = arx(Xm(1:200, :), [1, 1, 3]); y = idsim(Xm(:,2), th); % szimuláció becsült paraméterekkel plot ([y Xm(:,1)]); % mért és szimulált görbe Mérési adatok feldolgozása: A fizikai mérések feldolgozásakor az identifikálás előtt az adatokról a stacioner értékeket le kell választani, majd meg kell határozni a holtidőt és a megfelelő modellstruktúrát. Tekintsük a laboratóriumi vízmelegítő rendszeren felvett M4505100.DAT adatfájlt Példánkban az adatfájl soraiban a következő információk találhatók: idő, beavatkozó jel (fűtés), kilépő víz hőmérséklete, belépő víz hőmérséklete és az átfolyó víz árama. A következő utasítások betöltik az adatokat,

megjelenítik a mért adatokat majd levonják a stacioner értékeket: load M4505100.DAT; z = M4505100(50:250,[3 2]); idplot(z); zd = dtrend(z); A következő lépésekkel vizsgálható a holtidő és a modell rendűségének hatása és így kiválasztható a megfelelő modell struktúra: NN = struc(1:3, 1:3, 1:4); % na, nb, nk határai v = arxstruc(zd, zd, NN); % hiba számítása nn = selstruc(v); % struktúra kiválasztása A hibadiagram alapján 5 pa ramétert választva na=2, nb=3, nk=3. A korábbiak alapján: th = arx(zd, nn); % paraméter becslés [A, B] = th2arx(th) % együtthatók kiíratása ys = idsim(zd(:, 2), th); % szimuláció plot ([ys zd(:,1)]); % eredmény ábrázolása On-line identifikálás fájl (WinWord 6.0): \SERVERD-DRIVELABORKIBERNVIZMDOC 2011.0602 -9- A rekurzív (on-line) becslés hasonlóan egyszerű módon végezhető el (itt a teljes adatsorra egy utasítással hajtjuk végre a paraméterbecslést; a rarx függvény azonban minden

mintavételezéskor külön is hívható). thm = rarx(zd, nn, ‘ff’, 0.99); % lambda=099 plot (thm); % a paraméterek változásának ábrázolása fájl (WinWord 6.0): \SERVERD-DRIVELABORKIBERNVIZMDOC 2011.0602 - 10 - 3. GENIE folyamatirányító és adatgyűjtő szoftver GENIE az ADVANTECH cég Windows alatt futó folyamatirányító és adatgyűjtő szoftvere. Jellemzői: • Icon alapú, egérrel vezérelhető • Flexibilis, rendkívül könnyen kezelhető • Standard matematikai és control funkciók • Szabályozási stratégiák grafikus megadása • Dinamikus adatcsere (DDE) egyéb Windows alkalmazásokkal (pl. MS-Excel) GENIE szoftver részei • Szabályozási stratégia szerkesztése (Strategy Editor) • Display szerkesztő (Display Editor) /Strategy Editor része/ • Futtató modul (Runtime) • Driver installáló modul (Device Installation) GENIE szoftver indítása A szoftver megfelelő modulja a Windows Program Manager-éből a

megfelelő ikon kiválasztásával indítható (2.1 ábra) 2.1 ábra A Genie moduljai Szabályozási stratégia szerkesztése (Strategy Editor) A szabályozási stratégia összeállítása a Strategy Editor indítása után megjelenő 24 db ikon f elhasználásával történhet. A megfelelő ikonra való kattintással kiválasztjuk az ikont, majd szerkesztő mező megfelelő pontjára történő kattintással elhelyezzük azt szerkesztő mezőben. Az elhelyezett ikonokat összekötjük a "vonalhúzás" üzemmódban (2.2 ábra középső felső ikon) Az fájl (WinWord 6.0): \SERVERD-DRIVELABORKIBERNVIZMDOC 2011.0602 - 11 - ikonok összekötésekor megadjuk paraméterezzük az ikonokat. a szükséges kapcsolatok típusát, 2.2 ábra A Strategy Editor blokkjai Strategy Editor blokkjai Összekötő vezeték (Connection Wire) A két blokk ( ikon) összekötésére használható. A nyíl iránya szabja meg az adatáramlás irányát. Képernyő (Display) Input és

output lehetőséggel rendelkező blokk. Bármely blokk hozzákapcsolható, vagy a display panelen lévő elemektől adat adható át más blokkoknak. Kétszer kattintva az ikonra megjelenik a szerkesztő panel a megfelelő ikonokkal (részletes leírást ld. a display szerkesztő leírásánál). Felhasználói program (User Programmable Block) Input és output lehetőséggel rendelkező blokk. Az inputok között számos matematikai művelet (pl. +, -, *, /, exp, log, stb.) végezhető A felhasználó C-szerű szintaktikával írhat saját programot, változóként a-z karaktereket vagy előzőleg definiált blokkok neveit (tagname) használhatjuk. Analóg bemenet (Analog Input) A megfelelő analóg input információt beolvassa gépben található I/O kártyáról. A lekérdezési frekvencia beállítható A blokk rendelkezik DDE funkcióval. fájl (WinWord 6.0): \SERVERD-DRIVELABORKIBERNVIZMDOC 2011.0602 - 12 - Analóg kimenet (Analog Output) Egy másik blokktól k apott

értéket kiküldi a gépben található I/O kártya megfelelő analóg output csatornájára. A kiküldési frekvencia beállítható. A blokk rendelkezik DDE funkcióval Digitális bemenet (Digital Input) A megfelelő digital input információt beolvassa gépben található I/O kártyáról. A lekérdezési frekvencia beállítható A blokk r endelkezik DDE funkcióval. Digitális kimenet (Digital Output) Egy másik blokktól kapott bináris értéket kiküldi a gépben található I/O kártya megfelelő digitális output csatornájára. A kiküldési frekvencia beállítható. A blokk rendelkezik DDE funkcióval Hőmérséklet mérés (Temperature Measurement) Hasonló az Analóg Input blokkhoz, megfelelő analóg input információt beolvassa gépben található I/O kártyáról és linearizált hőmérséklet (C, K, F) értékké alakítja át. A lekérdezési frekvencia beállítható. A blokk rendelkezik DDE funkcióval Időzítő (Timer) Inputot fogad (újraindítás) más

blokktól, és rendelkezik outputtal (abszolút idő vagy eltelt idő). Az időalap vagy szekundum vagy 1/10 szekundum. Idő bélyegző (Time Stamp) Outputtal rendelkezik, az aktuális időt adja át következő blokknak (Display vagy log file). Különböző kiírási formátum közül választhatunk. fájl (WinWord 6.0): \SERVERD-DRIVELABORKIBERNVIZMDOC 2011.0602 - 13 - Trigger (Trigger) Outputtal és inputtal rendelkezik, az input értéket a trigger állapotától és az input értékétől függően vagy tovább engedi, vagy nem. Számos üzemmód közül választhatunk. Esemény számláló (Event Counter) Outputtal és inputtal rendelkezik, az input j el 0-1 átmeneteit számolja. A reset input 1 é rtéke alaphelyzetbe állítja és leállítja a számlálást, a hold input 1 értéke leállítja a számlálást. A számláló ciklusideje a rendszer mintavételezési idejével egyezik meg. PID szabályozó (PID control) Outputtal (beavatkozó jel) és inputtal (alapjel,

ellenőrző jel) rendelkezik, PID (P, PI, PID) szabályozást valósít meg. A szabályozó kimenetének alsó és felső korlátot adhatunk meg. On-Off szabályozó (On-Off control) On-Off szabályozást valósít meg. Az alapjel körül egy sávot adhatunk meg, a sáv elhagyásakor a kimenet értéke megváltozik (0ról 1-re, vagy 1-ről 0-ra Sebesség jel (Ramp) Outputtal és inputtal rendelkezik, a kimeneti jel adott sebességgel változik. A változás sebessége arányos a mintavételezési idővel Átlag (Average) Outputtal és inputtal rendelkezik, a bemeneti jel átlagát képezi. Mozgó és teljes átlag számolása lehetséges. Mozgó átlag esetén pontok száma megadható. Duda (Speaker) Digitális jelet fogad, és a hangszórón alarm jelet állít elő fájl (WinWord 6.0): \SERVERD-DRIVELABORKIBERNVIZMDOC 2011.0602 - 14 - Beolvasás fájlból (Data File) Megadott fájlból mintavételezési időnként elolvas egy adatot. Mentés fájlba (Log File) Az input

adatokat kiválasztott formátumú (ASCII, binary, byte, integer, long integer) fájlba ment. Soros vonal (RS-232) Soros vonali kommunikáció Genie host és egyéb soros vonali egység (pl. másik szg, PLC, stb) DDE server (DDE server) DDE (dinamikus adatcsere) kommunikáció Genie és egy másik Windows alkalmazás között (pl. Excel) DDE kliens (DDE client) DDE (dinamikus adatcsere) kommunikáció egy másik Windows alkalmazás (pl. Excel) és a Genie között Display szerkesztő (Display Editor) Nyomógomb Oszlop diagram Y-t diagram X-Y diagram Keret Szöveg mező kijelző (szám/szöveg) On-Off kijelző Numerikus adatbevitel fájl (WinWord 6.0): \SERVERD-DRIVELABORKIBERNVIZMDOC 2011.0602