Srovnání PID regulace a anisochronního řízení na PLC Tecomat Foxtrot

Podobné dokumenty
Práce s PID regulátorem regulace výšky hladiny v nádrži

Stanovení typu pomocného regulátoru v rozvětvených regulačních obvodech

Ṡystémy a řízení. Helikoptéra Petr Česák

Robustnost regulátorů PI a PID

Řízení motoru Mendocino

PROTOKOL O LABORATORNÍM CVIČENÍ - AUTOMATIZACE

Nastavení parametrů PID a PSD regulátorů

VLIV VELIKOSTI VZORKOVACÍ PERIODY NA NÁVRH DISKRÉTNÍHO REGULAČNÍHO OBVODU

Prostředky automatického řízení Úloha č.5 Zapojení PLC do hvězdy

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Vlastnosti regulátorů

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

Nejjednodušší, tzv. bang-bang regulace

The Optimization of Modules for M68HC08 Optimalizace modulů pro M68HC08

PROSTŘEDKY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

k DUM 08. pdf ze šablony 1_šablona_automatizační_technika_I 03 tematický okruh sady: regulátor

Frekvenční charakteristika soustavy tří nádrží

POUŽITÍ REAL TIME TOOLBOXU PRO REGULACI HLADIN V PROPOJENÝCH VÁLCOVÝCH ZÁSOBNÍCÍCH

Úloha 5 Řízení teplovzdušného modelu TVM pomocí PC a mikropočítačové jednotky CTRL

ZPĚTNOVAZEBNÍ ŘÍZENÍ, POŽADAVKY NA REGULACI

Zpětná vazba, změna vlastností systému. Petr Hušek

Spojité regulátory Zhotoveno ve školním roce: 2011/2012. Spojité regulátory. Jednoduché regulátory

Automatizační technika. Regulační obvod. Obsah

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologíı Ústav automatizace a měřicí techniky v Brně

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Nespojité (dvou- a třípolohové ) regulátory

HPS - SEŘÍZENÍ PID REGULÁTORU PODLE PŘECHODOVÉ CHARAKTERISTIKY

Model helikoptéry H1

POPIS, IDENTIFIKACE SYSTÉMU A NÁVRH REGULÁTORU POMOCÍ MATLABU V APLIKACI FOTBAL ROBOTŮ

Klasické pokročilé techniky automatického řízení

Návrh a simulace zkušební stolice olejového čerpadla. Martin Krajíček

PŘECHODOVÁ CHARAKTERISTIKA

Příloha A návod pro cvičení 1. SESTAVENÍ MODELU V PROSTŘEDÍ MATLAB SIMULINK Zapojení motoru

Ivan Švarc. Radomil Matoušek. Miloš Šeda. Miluše Vítečková. c..~"f~ AKADEMICKÉ NAKlADATEL.STVf. Brno 20 I I

Pro model vodárny č. 2.; navrhněte a odzkoušejte vhodné typy regulátorů (P, PI, I, PD a PID), za předpokladu, že je:

Programové řešení releového řízení pro TECOMAT FOXTROT pomocí vývojového prostředí Mosaic

VŠB - Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra měřicí a řídicí techniky. Samonastavitelné regulátory v prostředí PLC

VÝVOJ ŘÍDICÍCH ALGORITMŮ HYDRAULICKÝCH POHONŮ S VYUŽITÍM SIGNÁLOVÉHO PROCESORU DSPACE

Využití neuronové sítě pro identifikaci realného systému

25.z-6.tr ZS 2015/2016

KNIHOVNA MODELŮ TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ

Laboratorní úloha č.8 MĚŘENÍ STATICKÝCH A DYNAMICKÝCH CHARAKTERISTIK

Regulace. Dvoustavová regulace

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Identifikace a řízení nelineárního systému pomocí Hammersteinova modelu

DOOSAN Škoda Power s. r. o. a Západočeská univerzita v Plzni ŘÍZENÍ AERODYNAMICKÉHO TUNELU PRO KALIBRACI TLAKOVÝCH SOND

Řešení "stiff soustav obyčejných diferenciálních rovnic

Studium závislosti výpočetního času algoritmu GPC prediktivního řízení na volbě typu popisu matematického modelu v regulátoru

Prostředky automatického řízení

Návod k použití programu pro výpočet dynamické odezvy spojitého nosníku

Regulační obvod s měřením regulováné veličiny

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Stabilita regulačního obvodu

1 Modelování systémů 2. řádu

EXPERIMENTÁLNÍ STAND ŘÍZENÝ REAL TIME TOOLBOXEM NA TESTOVÁNÍ MEMBRÁN

Projekt realizovaný na SPŠ Nové Město nad Metují. s finanční podporou v Operačním programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost Královéhradeckého kraje

Řízení modelu letadla pomocí PLC Mitsubishi

Řízení tepelné soustavy pomocí PLC Siemens

Západočeská univerzita. Lineární systémy 2

Verifikace modelu VT přehříváků na základě provozních měření

POŽADAVKY NA REGULACI

Vzpěr jednoduchého rámu, diferenciální operátory. Lenka Dohnalová

VYUŽITÍ MATLABU PRO PODPORU VÝUKY A PŘI ŘEŠENÍ VÝZKUMNÝCH ÚKOLŮ NA KATEDŘE KOMUNIKAČNÍCH A INFORMAČNÍCH SYSTÉMŮ

Praha technic/(4 -+ (/T'ERATU"'P. ))I~~

PROSTŘEDKY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Laboratorní úloha Seřízení PI regulátoru

VYUŽITÍ MATLABU PRO VÝUKU NUMERICKÉ MATEMATIKY Josef Daněk Centrum aplikované matematiky, Západočeská univerzita v Plzni. Abstrakt

Obr. 1 Činnost omezovače amplitudy

Kompaktní mikroprocesorový regulátor MRS 04

Regulační obvody s nespojitými regulátory

KYBERNETIKA. Prof. Ing. Vilém Srovnal, CSc. Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava

Analýza lineárních regulačních systémů v časové doméně. V Modelice (ale i v Simulinku) máme blok TransfeFunction

Obrázek č. 7.0 a/ regulační smyčka s regulátorem, ovladačem, regulovaným systémem a měřicím členem b/ zjednodušené schéma regulace

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Kvalita regulačního pochodu

Využití přímé inverzní metody pro řízení reálných systémů

SIMULACE SYSTÉMŮ S ROZPROSTŘENÝMI PARAMETRY V SIMULINKU

VÝVOJ NOVÉHO REGULAČNÍHO ALGORITMU KOTLE VERNER S PODPOROU PROGRAMU MATLAB

Podpora cvičení z předmětu: Teorie automatického řízení I.

UNIVERZITA PARDUBICE Fakulta elektrotechniky a informatiky IDENTIFIKACE A REGULACE SOUSTAVY HUMUSOFT CE 151. Michal Semonský

UNIVERZITA PARDUBICE Fakulta elektrotechniky a informatiky. NASTAVENÍ PARAMETRŮ PID REGULÁTORU JAKO OPTIMALIZAČNÍ ÚLOHA Ondřej Zouhar

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Modelování a simulace Lukáš Otte

Řízení tepelné soustavy s dopravním zpožděním pomocí PLC

Regulační obvod s měřením akční veličiny

DIPLOMOVÁ PRÁCE Nelineární řízení magnetického ložiska

Bezpečnost chemických výrob N111001

Západočeská univerzita v Plzni Fakulta aplikovaných věd KKY/LS2. Plzeň, 2008 Pavel Jedlička

obhajoba diplomové práce

Automatické měření veličin

Profilová část maturitní zkoušky 2015/2016

Abychom se vyhnuli užití diferenčních sumátorů, je vhodné soustavu rovnic(5.77) upravit následujícím způsobem

Operační zesilovač, jeho vlastnosti a využití:

Vypracovat přehled způsobů řízení paralelních kinematických struktur s nadbytečnými pohony

5. Pro jednu pružinu změřte závislost stupně vazby na vzdálenosti zavěšení pružiny od uložení

PXR3 PXR4 PXR7 PXR5 PXR9 PXR4

Návrh frekvenčního filtru

Konfigurace řídicího systému technikou Hardware In The Loop

NESTABILITY VYBRANÝCH SYSTÉMŮ. Úvod. Vzpěr prutu. Petr Frantík 1

Syntéza obvodu teplotní kompenzace krystalového oscilátoru

ISŠ Nova Paka, Kumburska 846, Nova Paka Automatizace Dynamické vlastnosti členů členy a regulátory

PRŮMYSLOVÝ REGULÁTOR PID S AUTOTUNEREM A VIZUALIZACÍ

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Transkript:

Srovnání PID regulace a anisochronního řízení na PLC Tecomat Foxtrot Martin Hunčovský 1,*, Petr Siegelr 1,* 1 ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav přístrojové a řídící techniky, Technická 4, 166 07 Praha 6, Česká republika Abstrakt Práce srovnává klasický PID regulátor seřízený metodou Ziegler & Nichols a anischronní regulátor vytvořený pomocí anisochronního modelu s parametry odhadnutými pomocí rozšířené reléové identifikace. Oba způsoby regulace jsou implementovány jako regulátor s auto-tuningem na programovatelném automatu Tecomat Foxtrot CP-1015. Kromě simulačních experimentů jsou oba způsoby řízení testovány na laboratorní úloze "Teplovzdušný model" umístěné v laboratoři automatického řízení na FS. Klíčová slova: Tecomat; Mosaic; Foxtrot; CP-1015; autotuning; reléová identifikace; Ziegler & Nichols; Teplovzdušný model; identifikace; programování PLC; regulátor; automatické řízení; anisochronní řízení; PID regulátor; řízení; seřízení PID 1. Úvod do identifikace soustav metodou relé Cílem identifikace soustavy pro její řízení je získat matematický model použitelný pro návrh řízení. Jednou z metod, kterou lze soustavu identifikovat, je metoda relé. Tato identifikace spočívá v připojení dvoupolohové regulace (relé) k soustavě. Připojení je možné sledovat v následujícím obrázku. Pro identifikaci pro PID regulátor je voleno symetrické relé. Obr. 1 Reléové identifikace zapojení relé k soustavě Na obrázku Obr. 2 vedle tohoto textu je vidět základní průběh soustavy po zapojení dvoupolohové regulace s hysterezí. Pro přesnější hodnoty je lepší použít sepnutí a vypnutí relé v lineární oblasti dané soustavy. Po odečtení hodnot T k a poměru y a a u a dostaneme hodnoty potřebné pro dosazení do další části identifikace (výpočet r k ). Pro naši úlohu jsme pro nastavení PID regulátoru zvolili metodu Ziegler & Nichols další informace konkrétně k této metodě jsou uvedeny v kapitole 1.1.1.. Na obrázku 3 je zobrazeno připojení PLC (programovatelný logický automat viz Obr. 3) s PC, kde byl použit softwarový nástroj Mosaic od firmy Teco a.s. V tomto PLC jsme identifikaci a následné řízení naprogramovali a provedli srovnání. Identifikace i následné řízení je provedeno na stejném PLC. r k = 4u a πy a (1) Obr. 2 Reléová identifikace - odečtení hodnot 1.1. Identifikace pro seřízení PID regulátoru 1.1.1. Metoda Ziegler & Nichols Metoda z odečtených hodnot (T k, y a, u a ) vypočte potřebné parametry regulátoru (r 0, T i, T d ). Pro příklad je uveden PID regulátor nastavený touto metodou. Z odečtených hodnot je nutné stanovit proporcionální, integrační a derivační konstantu (viz Tabulka 1). Tabulka 1. Výpočet jednotlivých složek PID regulátoru regulátor r 0 T i T d P 0,5 r k PI 0,45 r k 0,83 T k PID 0,6 r k 0,5 T k 0,12 T k * Kontakt na autory: Martin.Huncovsky@fs.cvut.cz Petr.Siegel@fs.cvut.cz

v knihovně PLC. Po ukončení reléové identifikace v uzavřeném regulačním obvodu jsou vypočteny parametry regulátoru. Tato metoda je nazvaná auto-tuning. Vlastní regulátor byl vytvořen v programovacím prostředí Mosaic v jazyce ST (structured text) dle normy IEC 61131-3. V tomto jazyce je vytvořen též program pro automatickou identifikaci připojené soustavy. 1.2. Identifikace metodou relé pro seřízení anisochronního regulátoru Obr. 3 PLC CP-1015- zapojené k úloze Program je naprogramovaný tak, aby proběhla automatická identifikace připojené soustavy a následná regulace pomocí PID regulátoru, který je naprogramován přímo Pro výpočet parametrů použitého anisochronního regulátoru je nutné odhadnout pět parametrů. Uvedený anisochronní model je vhodný pro aproximaci soustav s dopravním zpožděním. Nevýhodou tohoto regulátoru je jeho obtížnější seřízení. Odečet základních hodnot je znázorněn na grafu z programu Mosaic, který je vykreslen na Obr. 4 a pro přehlednost také na Obr. 5. Celá identifikace je detailněji popsána v literatuře [2]. Obr. 4 Identifikace - úloha "Teplovzdušný model

Obr. 5 Identifikace - hodnoty s pruhem Pro popis úlohy Teplovzdušný model je použit model s přenosem. G P (s) = K e sτ u (τ 1 + 1)(τ 2 + e sτ y). (2) V rovnici se vyskytuje 5 neznámých. Parametr K odhadneme pomocí K = t+t p y(τ)dτ t t+t p. u(τ)dτ t Zbývající 4 parametry lze určit numerickým řešením ze dvou bodů frekvenční charakteristiky získané při reléové identifikaci. Jde o body vztahující se k frekvencím = 2 π a = 4 π. Numerickým řešením dvou rovnic T p T p v komplexní rovině lze určit zbývající parametry τ u, τ 1, τ 2, τ y. Z iterační metody není možné vždy získat reálně platná data. Při špatném zvolení počátečního bodu se hodnoty mohou dostat do lokálního extrému, který není reálným řešením naší soustavy. Získaná data je tedy nutné ještě podrobit kontrole některý podmínek. Například τ y < π (podmínka stability). Pro úlohu Teplovzdušného modelu v laboratoři automatického řízení po τ 2 2 identifikaci a následné iteraci byly odhadnuty parametry, které byly ještě upraveny v rámci chodu regulátoru na hodnoty K = 2,33 τ u = 0,94, τ 1 = 0,004, τ 2 = 17,33, τ y = 0,08. Tyto parametry byly zvoleny na základě identifikace, která byla částečně odečtena automaticky v PLC a iterace a kontrola byla prováděna manuálním odečtem z grafu vytvořeného v programu Matlab a zatím se parametry vypočtou iterací právě v tomto programu. Výsledky iterace se zatím na reálné úloze bez úpravy nedaří aplikovat. (3) 2. Navrhovaný anisochronní regulátor Přenosová funkce regulátoru je navrhována pro model soustavy s anisochronním přenosem (2). Pro návrh byla použita metoda požadovaného modelu [1], která byla rozpracována na Fakultě strojní VŠB Technické univerzitě Ostrava. Metoda požadovaného modelu vychází ze vztahu G C (s) = 1 G P (s) G wy (s) 1 G wy (s) pro přímou syntézu regulátoru, kde (4) G P (s) = G P (s) e sτ u (5) je přenosová funkce modelu soustavy (2) a G wy (s) = k 0 s + k 0 e τ us e sτ u (6) je požadovaný přenos řízení, kde k 0 je zesílení otevřeného regulačního obvodu. Dosazením vztahů (6) a (5) do vztahu (4)(3) získáme přenos regulátoru G C (s) = k 0 sg P (s). (7) Po dosazení přenosové funkce modelu soustavy (2) do vztahu (7) a přidání filtru pro podmínku realizace získáme přenos regulátoru ve tvaru G C (s) = k 0 K (τ 1 s + 1)(τ 2 s + e sτ y). (τ f s + 1)s (8)

3. Porovnání řízení pomocí PID (Z&N) s anisochronním řízením 3.1. Použitý PID regulátor Pro porovnání byl použit PID regulátor s Laplaceho obrazem U(s) = r 0 (E(s) + 1 T i s E(s) + T ds T f s + 1 Y(s)), (9) kde T f je časová konstanta filtru. V PLC byl použit PID regulátor diskretizovaný pomocí aproximace derivace lichoběžníkovou náhradou a integrace pomocí stupňové náhrady zleva. 3.2. Simulace Pro porovnání simulovaných regulátorů bylo zvoleno prostředí Matlab s toolboxem simulink, a soustava šestého řádu s dopravním zpožděním G C (s) = e 8s (5s + 1) 6. (10) Po identifikaci metodou relé (Ziegler & Nichols) získáme takovéto parametry PID regulátoru: Tabulka 2. Parametry PID regulátoru - simulace r 0 1,02 T i 35,60 T d 8,54 T f 0,50 Identifikací soustavy pro anisochronní model (2) získáme parametry: Tabulka 3. Parametry anisochronního regulátoru - simulace K 1,0 τ 1 7,4 τ 2 24,0 τ y 10,0 τ u 16,6 τ f 0,5 k 0 0,035 Zesílení k 0 volíme podle požadovaného relativního překmitu κ podle tabulky 4 a rovnice (11). Tabulka 4. Volba požadovaného relativního překmitu [1] κ 0 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 β 2,718 1,944 1,720 1,437 1,248 1,104 0,992 k 0 = 1 βτ u (11) Srovnání výsledků simulace je na obrázku 6, kde je vidět odezva na jednotkový skok žádané hodnoty. Obr. 6 Srovnání řízení pomocí PID regulátoru a anisochronního řízení - simulace

3.3. Srovnání na reálné soustavě Pro porovnání regulátorů na reálné soustavě byla zvolena úloha Teplovzdušný model z laboratoře 111 ČVUT FS. Identifikací metodou relé (Ziegler & Nichols) byly identifikovány takovéto parametry PID regulátoru: Tabulka 5. Parametry PID regulátoru reálná soustava r 0 2,11 T i 6,89 T d 1,72 T f 0,25 T 0,10 Identifikací soustavy pro anisochronní model (2) získáme parametry: Tabulka 6. Parametry anisochronního regulátoru - reálná soustava K 2,33 τ 1 0,004 τ 2 17,33 τ y 0,08 τ u 0,94 τ f 0,50 k 0 0,62 T 0,084 Srovnání výsledků regulace je vidět na obrázku 7, kde je vidět skoková změna žádané hodnoty w z 5,5 na 6,5. Obr. 7 Srovnání řízení pomocí PID regulátoru a anisochronního řízení reálná soustava Z obr. 7 je patrné, že algoritmus identifikace anisochronního modelu soustavy implementovaný v PLC je třeba ještě doladit. 4. Závěr Z uvedených informací je patrné, že PID regulátor je velice snadno seřiditelný, ale u soustav s dopravním zpožděním by anischronní řízení mohla být lepší varianta. V posledních dnech jsme zjistili, že tuto úlohu značně ovlivňuje venkovní počasí. Úloha je závislá na průtoku vzduchu. Ten se, pokud venku výrazněji fouká vítr, velice pomalu snižuje průtok vzduchu a identifikace dané úlohy tak ztrácí přesnost. Pro srovnání úloh byly stejné podmínky, ale je důležité toto zmínit. Identifikace PID regulátoru je připravena jako celek s auto-tuningem a je celá otestována na PLC Foxtrot CP- 1015. V úloze s anischronním řízením je připravený program pro regulaci, ale identifikace není celkově hotová. Identifikace parametrů označených pruhem není * Kontakt na autory: Martin.Huncovsky@fs.cvut.cz Petr.Siegel@fs.cvut.cz

hotova a iterační metoda se zdá nestabilní. Tato iterace je v současnosti prováděna z napůl identifikovaných parametrů v PLC a odečtených hodnot z vykreslovaného grafu. Pro jednotlivé omegy (0; 0,503; 1,006) se určí přenos a iteračně se zjistí koeficienty. Pro úlohu teplovzdušný model to jsou: K = 2,33 τ u = 0,94, τ 1 = 0,004, τ 2 = 17,33, τ y = 0,08 Poděkování Tato práce byla sepsána s podporou grantové agentury Českého vysokého učení technického v Praze. Tato práce byla sepsána s podporou grantu číslo: SGS16/210/OHK2/3T/12. and Workshops (ICUMT). Brno, Czech Republic: IEEE, 2015, p. 61-66. ISBN 978-1-4673-9282-2. [3] Hofreiter, M, Trnka, P, Siegel, P a Hunčovský M.:Extension of relay feedback identification. In: International Journal of Control Systems and Robotics. Praha, Czech Republic: IEEE, 2016, p. 57-62. ISSN 2367-8917. [4] Příručky SW. Teco Advanced Automation: Industrial Automation, Intelligent Buildings, Smart Grid [online]. Kolín: Teco, 2009 [cit. 2016-03-23]. Dostupné z: http://www.tecomat.com/index.php?a=cat.303 [5] Příručky HW. Teco Advanced Automation: Industrial Automation, Intelligent Buildings, Smart Grid [online]. Kolín: Teco, 2009 [cit. 2016-03-23]. Dostupné z: http://www.tecomat.com/index.php?a=cat.304 Seznam symbolů V práci je použito následné značení: Hodnoty s pruhem jsou stejného významu ale pro omegu rovnou druhé číselné hodnotě. y (t) = y(t) + y(t T p 2 ). e regulační odchylka (V) G C přenos regulátoru (-) G P přenos regulované soustavy (-) H šířka zásahu relé (V) k 0 zesílení otevřeného regulačního obvodu (-) K parametr anisochronního modelu (-) r 0 proporcionální konstanta regulátoru (-) r k kritické zesílení (-) T d derivační časová konstanta regulátoru (s) T i integrační časová konstanta regulátoru (s) T k perioda kmitů při kritickém zesílení (s) T perioda vzorkování (s) u akční veličina (V) u a amplituda akční veličiny (V) w žádaná hodnota (V) y regulovaná veličina (V) amplituda regulované veličiny (V) y a κ τ 1 τ 2 τ f τ u τ y relativní překmit časová konstanta filtru (s) Literatura Při tvorbě této práce byla použita tato literatura. Informace jsou čerpány převážně z několika odborných článků. [1] VÍTEČEK, Antonín a Miluše VÍTEČKOVÁ. Zpětnovazební řízení mechatronických systémů. 1. vyd. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2013. ISBN 978-80-248-3232-6. [2] Hofreiter, M.:Extension of relay feedback identification. In: Proceedings of 2015 7th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems