VŠB-TUO
2005/2006
FAKULTA STROJNÍ
P ROSTŘEDKY
AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ
Úloha 5 Řízení teplovzdušného modelu TVM pomocí PC a mikropočítačové jednotky CTRL
SN 172
JOSEF DOVRTĚL HA MINH
Zadání: 1. Seznamte se s teplovzdušným modelem (TVM), mikropočítačovou měřící jednotkou CTRL a programovou podporou v prostředí Win. 2. Proveďte konfiguraci jednotky CTRL v režimu měření a poté řízení, ověřte funkci všech vstupních a výstupních signálů. Nastavte model TVM do definovaného stavu, umožňující proměření další části úlohy. 3. Změřte dynamickou charakteristiku změny napětí na výstupu při nastavení skokového napětí na vstupu, při měření průtoku vzduchu vrtulkou. 4. Navrhněte pro danou soustavu vhodný regulátor, spočítejte a vypište jeho parametry. 5. Naměřené a vypočtené hodnoty vyneste do grafů a proveďte zhodnocení měření.
Zapojení úlohy Model teplovzdušného obvodu je tvořen žárovkou napájenou z řiditelného zdroje napětí, jež je umístěná v krytém tunelu, kterým je profukován vzduch pomocí ventilátoru (ten je rovněž napájen pomocí řiditelného zdroje napětí). V tunelu je umístěno několik snímačů: Tři snímače teploty (termistor T3 měřící teplotu baňky žárovky, T2 - teplota vzduchu v bezprostřední blízkosti baňky žárovky, T1 - teplota vzduchu v zadní části tunelu). Fotodetektor (fotorezistor FR1 měřící jas žárovky). Termoanemometr (je tvořen dvěma termistory, první je umístěn v tunelu a měří rychlost proudění vzduchu - TA, druhý referenční termistor RT není proudem vzduchu ovlivňován) Objemový vrtulkový průtokoměr (VP - měřicí vrtulka s připojeným snímačem otáček).
Postup práce 1. Zapojte použité přístroje dle obr. 1, zapněte počítač PC, jednotku CTRL a elektronickou jednotku teplovzdušného modelu TVM. 2. Spusťte program CTRL.exe nebo WinCRTL.exe pro ovládání jednotky CTRL. 3. Cílem regulační úlohy je udržet teplotu baňky žárovky na požadované konstantní hodnotě, jíž odpovídá napětí na vybraném snímači teploty – např. termistoru T3 připevněném na baňce žárovky (např. w = 2,5 V, což koresponduje s polohou pracovního bodu regulačního obvodu ve 25% rozsahu statické charakteristiky). Akční člen regulačního obvodu je představován řízeným zdrojem žárovky a porucha je realizována proměnným ochlazováním baňky žárovky nastavovanými otáčkami ventilátoru (Výstup2). 4. Vstup 7 (vrtulkový průtokoměr) nastavte jako aktivní, Výstup l (akční veličina - napětí na žárovce) nastavte na vypnuto a Výstup 2 (pravoúhlý impuls) jako zdroj signálu.
Schéma zapojení TVM obvodu s počítačem PC a jednotkou CTRL Fotorezistor Ochranný tunel Hlavní Ventilátor
Termoanemometr
Termistory Žárovka
Vrtulkový průtokoměr
Elektronická jednotka Napájecí zdroj
Mikropočítačová jednotka CTRL
Vstupy y Počítač PC Výstupy
RS 232
5. Podle časového průběhu výstupní veličiny zjistěte druh soustavy, navrhněte regulátor a spočítejte jeho parametry. 6. Grafické znázornění průběhů zvolených veličin před a po regulaci doložte do protokolu.
Popis mikropočítačové jednotky CTRL: Základní technické parametry CTRL: − CPU 8751 − EPROM/RAM: 4 KB integrální /128 B integrální+256 B externí − počet analogových vstupů/výstupů: 16/4 − vstupní rozsah/rozlišitelnost: 0-10V/12bitů − výstupní rozsah/rozlišitelnost/vzájemné ovlivňování: 0-10V/12bitů/<3% − komunikace s PC: standardní sériové rozhraní RS 232 − napájecí napětí/odběry: +5V/0,6A, +15V/0,1A − rozměry: 21 x 13 x 4 cm
Způsob propojení počítače PC s jednotkou CTRL a TVM
Jednotku CTRL tvoří dvě části - napájecí síťový zdroj (220 V/50 Hz) a vlastní elektronická jednotka vybavená mikroprocesorem. Zdroj poskytuje napětí ±15 V, +5 V a umožňuje připojit dva přístroje CTRL. Jednotka CTRL je vybavena signálovým konektorem typu CANON 25, přístrojovým kabelem a napájecím kabelem. Přístrojový kabel je určen pro přímé propojení se sériovým výstupem PC podle standartu V24/RS 232 a je zakončen standardním konektorem (COM 1 nebo COM 2). Parametry komunikace: parity.
max. rychlost 9600 Bd, 8 datových bitů, 1 stop bit, bez
Signálový konektor CANON 25 je propojen následovně: piny 1 - 12 jsou určeny pro vstupní analogové signály, zbývajícími čtyřmi analogovými vstupy se přímo měří hodnota analogových výstupů. Analogové výstupy jsou na pinech 15 - 19. S ohledem na rychlost přenosu a množství vstupních a výstupních kanálů je jednotka vhodná jako laboratorní monitorovací mikropočítačový systém pro měření a řízení středně rychlých a pomalejších procesů (teplotní aj.). Popis vstupních signálů Vstupní kanál Vstup 1 Vstup 2
Vstup 3
Snímač snímač jasu žárovky (fotorezistor) snímač teploty v blízkosti baňky žárovky T1 snímač teploty baňky žárovky T2
Vstup 4
snímač teploty na výstupu z tunelu
Vstup 6
termoanemometr TA6
Vstup 7
vrtulkový průtokoměr
Výstupní kanál
Akční člen ovládací napětí na žárovce
Výstup 1 Výstup 2
ovládací napětí na hlavním ventilátoru (řízení otáček)
Výstup 3
ovládací napětí na vedlejším ventilátoru (řízení otáček)
Vypracování: K regulaci jsme si vybrali průtok vzduchu TVM. Nastavili jsme vstup 7 (vrtulkový průtokoměr) a výstup 2 (hlavní ventilátor) jako aktivní. Identifikace soustavy Změřili jsme odezvu soustavy na skokovou změnu vstupního napětí 2,5V: Časová závislost výstupního napětí při skokové změně vstupního napětí 3,5 3 2,5
ě tí [V]
nap
2 1,5
Výstupní napětí
1
Žádané napětí
0,5 0 0
5
10
15
20
25
čas [s]
Z přechodové charakteristiky jsme určili, že se jedná o proporcionální soustavu se setrvačností 1. řádu s dopravním zpožděním, jejíž přenos Gs je: GS ( s) =
k1 * e −Td s T1 s + 1
Ustálená hodnota y = 2,95V Vzorkovací perioda T = 0,2s Z žádané a ustálené hodnoty jsme vypočítali zesílení k1: k1 =
y 2,95 = = 1,18 w 2,5
Výpočet PID regulátoru metodou požadovaného modelu Časové konstanty T1 a T2: T1 = 1,245(t 0 , 7 − t 0 ,33 ) = 1,245(7 − 3,9) = 3,86 s T2 = 0,794(t 0, 7 − t 0, 33 ) = 0,794(7 − 3,9) = 2,46 s
Dopravní zpoždění Td1 a Td2: Td1=1,498 * t0,33 - 0,498 * t0,7 = 1,498*3,9-0,498*7=2,36 s Td2=1,937 * t0,33 - 0,937 * t0,7 = 1,937*3,9-0,937*7=1 s Integrační složka TI*: TI*=T1+T2-T=3,86+2,46-0,2=6,12 Derivační složka TD*: T *T T 3,86 * 2,46 0,2 TD * = 1 2 − = − = 1,45 T1 + T2 4 3,86 + 2,46 4 Zesílení kp*: Td=Td2=1s pro nulový překmit: α=1,282 β=2,718 1 1 a= = = 0,336 αT + β Td 1,282 * 0, 2 + 2,718 * 1 a * TI * 0,336 * 6,12 = = 1,74 kp* = k1 1,18 Regulace průtoku vzduchu v TVM Nastavili jsme vypočítané optimální parametry pro PID regulátor a změřili časovou závislost akční a výstupní veličiny při skokové změně žádané hodnoty 4,5V. Časová závislost akčního a výstupního napětí 5 4
ě tí [V]
nap
3 2
výstupní napětí akční veličina žádaná hodnota
1 0 0
20
40
čas [s]
60
80
Závěr: Seznámili jsme se s teplovzdušným modelem, mikropočítačovou měřící jednotkou CTRL a programovou podporou v prostředí Windows. K regulaci jsme si zvolili průtok vzduchu v TVM. Změřili jsme přechodovou charakteristiku soustavy. Jako vhodný regulátor jsme navrhli PID a vypočítali jeho parametry. Správnost regulace jsme ověřili měřením. Výsledná přechodová charakteristika měla nekmitavý aperiodický průběh bez překmitu, ustálená hodnota byla dosažena za 23,4s.
