Posisjonsregulering av luftaktuert undervanns løftesystem Opplæring

Report
Presentasjon ved NFA-dagene 28.-29.4 2010
Sammenlikning av
simuleringsverktøy for
reguleringsteknikk
Av
Finn Haugen
([email protected])
Høgskolen i Telemark
Innhold:
• Eksempler
på min egen bruk av simuleringsverktøy
• Industriprosjekt: Posisjonsregulering av luftaktuert undervanns løftesystem
• Opplæring: MPC-regulering av varmluftprosess
• Opplæring: Simuleringsbiblioteket SimView
• Noen
aktuelle verktøy
• LabVIEW
• Simulink
• Scicos
• Dymola
• Oppsummering
Hvorfor simulere?
• Design
• Ufarlig testing
• Billig testing
• Opplæring
Innhold:
• Eksempler
på min egen bruk av simuleringsverktøy
• Industriprosjekt: Posisjonsregulering av luftaktuert undervanns løftesystem
• Opplæring: MPC-regulering av varmluftprosess
• Opplæring: Simuleringsbiblioteket SimView
• Noen
aktuelle verktøy
• LabVIEW
• Simulink
• Scicos
• Dymola
• Oppsummering
Posisjonsregulering av eksperimentelt luftaktuert undervanns
løftesystem
PC with
LabVIEW
Air
supply
u [V]
Ps [bar]
Fin [kg/s]
patm [bar]
Surface
Fout [kg/s]
La [m]
Air
mcyl [kg]
Sensor
La [m]
y [m]
Air
(Ultrasound)
ma [kg] pa [bar]
La [m]
Va [m3]
rhoa [kg/m3]
y [m]
mb [kg]
Sensor
y [m]
Water
Vb [m3]
(Pressure)
Load
ml [kg]
Løftebag (her utenfor vanntanken)
Prosessmodell:
Newtons 2. lov:
Massebalanse for luft:
Reguleringssystemet:
y
Estimator
(observer) for load
force fe
La
fe,est
Feedforward
Reference
r
Primary
Controller
(PID)
e
La,ff
Secondary
controller
(PI)
La,ref
C1
C2
F3
Secondary Disturbance
output (environmental
force)
Primary
fe
Process
u=
output
La
y
Fin
P2
P1
Filter
Secondary
loop
Primary loop
F2
S2
Filter
Sensor
(ultrasound)
F1
S1
Filter
Sensor
(pressure)
PI-regulatorparametre for C1 og C2 ble beregnet fra modell (med Skogestads
metode), og systemet ble simulert i LabVIEW.
Simulering av løftesystemet
(Simulering ble kjørt under foredraget.)
Virkelige responser (fra sommeren 2009)
Regulatoren som ble designet
fra modellen og bekreftet
i simuleringer, fungerte
med én gang på laben!
(Et rørende øyeblikk…)
Til høyre er virkelige
responser, på det
fysiske systemet
(forholdene er
riktignok ikke eksakt
de samme som for
simuleringene vist på
forrige slide):
Video fra eksperiment (sommeren 2009)
Løftebagen holdes stabilt på (nær) posisjonsreferansen:
Innhold:
• Eksempler
på min egen bruk av simuleringsverktøy
• Industriprosjekt: Posisjonsregulering av luftaktuert undervanns løftesystem
• Opplæring: MPC-regulering av varmluftprosess
• Opplæring: Simuleringsbiblioteket SimView
• Noen
aktuelle verktøy
• LabVIEW
• Simulink
• Scicos
• Dymola
• Oppsummering
MPC-regulering av varmluftprosess
Studentoppgave i masterutdanningen ved HiT:
Temperaturregulering med MPC.
Model-based Predictive Control (MPC):
The Control Design and Simulation module of LabVIEW contains an MPC controller
Process model:
Optimization criterion:
Constraints:
(Figures from user manual of Control
Design and Simulation module)
Matematisk modellering av varmluftprosessen
Prosessmodellen trengs i MPC-regulatoren.
Modellen skal også benyttes til simulatorbasert utprøving av reguleringssystemet.
Prosessens
sprangrespons:
Prosessens
sprangrespons
tyder på
“tidskonstant med
dødtid”:
Forsterkning
= 3,5
Tidskonstant
= 22 sek
Sprang i
styresignalet:
Tidsforsinkelse
= 2 sek
Verifikasjon av modellen, og muligens fin-tuning av modellparametrene, kan
gjøres ved å kjøre en simulator i parallell med den fysiske prosessen:
Det er meget god
overensstemmelse
mellom virkelig og
simulert
temperaturrespons.
Dette viser at
modellen er god
(nøyaktig).
Kan også bruke funksjoner fra systemidentifikasjon for å finne en modell automatisk…
Er simulerte og virkelige responser like?
Simuleringer ble kjørt under foredraget, mens
virkelige responser er fra et tidligere eksperiment.
La oss se om responsene er like…
Følging av sprangprofil med PI-regulator
Simulert respons:
Virkelig respons:
Simulert og virkelig respons er veldig like.
Følging av sprangprofil med MPC-regulator
Simulert respons:
Virkelig respons:
Simulert og virkelig respons er veldig like.
Følging av rampeprofil med PI-regulator
Simulert respons:
Virkelig respons:
Simulert og virkelig respons er veldig like.
Følging av rampeprofil med MPC-regulator
Simulert respons:
Virkelig respons:
Simulert og virkelig respons er veldig like.
Vi har sett at simulerte og virkelige respons er veldig like.
Simulatorbasert utprøving gir altså nøyaktige resultater!
(…Når modellen er nøyaktig.)
Innhold:
• Eksempler
på min egen bruk av simuleringsverktøy
• Industriprosjekt: Posisjonsregulering av luftaktuert undervanns løftesystem
• Opplæring: MPC-regulering av varmluftprosess
• Opplæring: Simuleringsbiblioteket SimView
• Noen
aktuelle verktøy
• LabVIEW
• Simulink
• Scicos
• Dymola
• Oppsummering
Simuleringsbiblioteket SimView
(for undervisning)
47 simulatorer for dynamiske systemer, reguleringsteknikk og
signalbehandling utviklet i LabVIEW.
Fritt tilgjengelige fra
http://techteach.no/simview
Krever kun at LabVIEW Run-time Engine (gratis) er installert.
En del av
simulatorene i
SimView:
Eksempel: Simulering av PID-nivåreguleringssystem
Eksempel: Simulering av sekvensstyring
Innhold:
• Eksempler
på min egen bruk av simuleringsverktøy
• Industriprosjekt: Posisjonsregulering av luftaktuert undervanns løftesystem
• Opplæring: MPC-regulering av varmluftprosess
• Opplæring: Simuleringsbiblioteket SimView
• Noen
aktuelle verktøy
• LabVIEW
• Simulink
• Scicos
• Dymola
• Oppsummering
Skal simulere følgende reguleringssystem
(i LabVIEW, Simulink og Scicos):
Ref = sprang
(amplitude 1)
Kp = 0,5
Ti = 1
Td=0
K=1
T=1
Tau = 1
PI-regulator
Tidskonstant
med dødtid
LabVIEW
Utviklingsverktøy for hovedsakelig PC-baserte systemer for
styring og måling, inkl. signalbehandling og simulering.
Produseres av National Instruments (ni.com).
Programmeringen er grafisk, dvs. med funksjonsblokker
som koples sammen.
Control Design and Simulation Module i LabVIEW inneholder
funksjoner for simulering av dynamiske systemer
(a la Simulink).
Info om simulatorutvikling i LabVIEW fins bl.a. på
http://techteach.no.
Noen blokker på Simulation-paletten i LabVIEW
Eksempel: PID-reguleringssystem for simulert prosess
bestående av tidskonstant og dødtid
Programmets frontpanel (brukergrensesnitt):
Eksempel forts: Programmets blokkdiagram
Simulink
Simuleringsverktøy basert på blokkdiagramrepresentasjon
av matematisk modell.
Produseres av The Mathworks (mathworks.com).
Forutsetter at Matlab er installert.
Info om simulatorutvikling med Simulink fins bl.a. på
http://techteach.no.
Blokkbiblioteket i Simulink
Eksempel (Simulink): PID-reguleringssystem for simulert
prosess bestående av tidskonstant og dødtid
Parameterverdier kan enten skrives rett
inn i blokkenes parametervindu eller
generes som variable i et Matlab-skript.
Scicos
Simuleringsverktøy basert på blokkdiagramrepresentasjon
av matematisk modell.
(Likner på Simulink.)
Gratis!
Info om simulatorutvikling med Scicos fins bl.a. på
http://techteach.no.
Scicos: Paletter med modell- og funksjonsblokker
Eksempel (Scicos): PID-reguleringssystem for simulert
prosess bestående av tidskonstant og dødtid
Parameterverdier kan enten skrives rett
inn i blokkenes parametervindu eller
genereres som variable i et skriptvindu
(kalt Context).
Dymola
Simuleringsverktøy basert på at fysiske komponenter (for
eksempel motor, last, gir, signalkilde, vinkelsensor) og
funksjonsblokker (for eksempel PID-regulator, lavpassfilter)
koples sammen som om det var et fysisk system som skulle
bygges.
Dymola sørger selv for å manipulere de underliggende
matematiske modellene slik at de blir løsbare, bl.a. ved at
algebraiske løkker løses.
Dymola er en implementering av det standardiserte
objektbaserte modelleringsspråket Modelica.
Eksempel (Dymola): PID-reguleringssystem for simulert
posisjonsservo for permanentmagnetisert DC-motor
Modellen er bygd opp av komponenter i pakkebiblioteket (til venstre).
Eksempel (Dymola): Simulert posisjonsrespons etter sprang
i posisjonsreferansen
Hvilke som helst
variable i
modellen kan
plottes i samme
eller egne
vinduer.
Brukeren svitsjer
mellom
Modeling-modus
og Simulationmodus med
knappen nede til
høyre.
Oppsummering
• LabVIEW: Meget god funksjonalitet. Lekker GUI. Litt tungvint (må beherske
LabVIEW-programmering). Enkelt å kjøre simulering i sann tid eller I skalert tid.
• Simulink: Meget god funksjonalitet. Enkelt å bruke. Sanntidssimulering krever
Real-time Workshop.
• Scicos: Ok funksjonalitet. Enkelt. Gratis! Sanntidssimulering mulig.
• Dymola: God funksjonalitet. Ferdiglagde fysikkbaserte modellobjekter som kan
koples sammen, uten å tenke på matematikken. Krever meget god modellinnsikt
for å vite hva de mange parametrene i modellblokkene betyr. Sanntidssimulering
er mulig.

similar documents