Systemteknik/Processreglering F10
Transcription
Systemteknik/Processreglering F10
Systemteknik/Processreglering F10 Regulatorstrukturer ◮ Kaskadreglering (cascade control) ◮ Mitthållning (mid-range control) ◮ Kvotreglering (ratio control) ◮ Framkoppling (feedforward) ◮ Dödtidskompensering (delay compensation) Läsansivning: Process Control: 9.1–9.6 Kaskadreglering Kaskadreglering kan användas för system som kan delas upp: u G p2 y2 G p1 y1 där både y2 och y1 kan mätas och G p2 är (eller kan göras) minst 10 gånger snabbare än G p1 Exempel: G p1 = K2 K1 och G p2 = där T2 < 0.1T1 1 + T1 s 1 + T2 s Kaskadreglering – blockschema u1 r G c1 ◮ G p2 y2 G p1 Sekundärregulatorn G c2 reglerar y2 ◮ ◮ ◮ ◮ u2 G c2 Inre loopen är snabb i förhållande till yttre loopen Ofta med P-regulator med hög förstärkning För den långsammare yttre loopen så är y2 ( u1 Primärregulatorn G c1 reglerar y1 ◮ Ofta PI- eller PID-regulator y1 Exempel: värmeväxlare TIC TT Ånga Vatten Regleringen kan fungera dåligt om t.ex. ◮ ventilen är olinjär ◮ ångtrycket på primärsidan varierar (laststörning) Exempel: värmeväxlare med kaskadreglering Börvärde TIC FIC FT TT Ånga Vatten ◮ Den inre reglerkretsen ser till att ångflödet regleras ◮ Börvärdet till flödesregulatorn ges av styrsignalen från temperaturregulatorn Exempel: värmeväxlare – simulering Med kaskadreglering (heldragen) och utan (streckad); störning vid t = 5: Temperatur 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 100 Flöde 80 60 40 20 0 Ventilläge 100 80 60 40 20 0 Tid Mitthållning Användbart för processer med två styrsignaler och en mätsignal, t.ex. replacements u2 u1 G p2 y G p1 Σ ◮ u1 hög precision men litet arbetsområde ◮ u2 låg precision men stort arbetsområde Mitthållning – exempel Flödesreglering med två styrventiler: replacements v1 v2 ◮ FT Ventilen v1 är liten och har stor noggrannhet ◮ stor risk för mättning ◮ Ventilen v2 är stor men har sämre noggrannhet ◮ Hur låta dem samarbeta på bästa sätt? Mitthållning – exempel Mitthållning: G R2 G R1 v1 v2 FT ◮ Snabb regulator G R1 reglerar flödet med lilla ventilen v1 ◮ Långsam regulator G R2 justerar stora ventilen v2 så att v1 hålls i mitten av sitt arbetsområde Mitthållning – simulering Stora ventilen (streckad) håller lilla ventilen (heldragen) vid 50% 70 Flöde 65 60 55 50 45 40 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 25 30 35 40 45 50 Ventillägen 100 90 80 70 60 50 40 Tid Mitthållning – blockschema r u1 u2 G c2 ry u1 G c1 ◮ ◮ y G p1 Σ G c1 och G p1 bildar snabb och noggrann reglerkrets Styrsignalen från G c1 fungerar som mätsignal till G c2 ◮ ◮ G p2 ru1 väljs till mitten av u1 :s arbetsområde G c2 har låg förstärkning, ev. enbart I-del ◮ Tumregel: minst 10 ggr större tidskonstant än snabba kretsen Kvotreglering Exempel: hålla konstant luft/bränsle-förhållande Antag att vi vill ha yl / yb = a. Naiv lösning (reglera kvoten a direkt): rb a Regulator Regulator ub ul Process Process Olinjärt, förstärkningen i andra kretsen varierar med yb yb yl Kvotreglering Bättre lösning: rb Regulator ub Process yb a rl Regulator ul Process yl ◮ Börvärdet på flödet går till första kretsen som antas långsam ◮ Andra kretsen görs snabb och upprätthåller önskad kvot Framkoppling – exempel Exempel: koncentrationsreglering Framkoppling QIC Återkoppling Bas QT Syra ◮ QT Blandning Framkopplingen kan kompensera för plötsliga ändringar i syrakoncentrationen Framkoppling – simulering av exempel Med framkoppling (heldragen) och utan (streckad); störning vid t = 5: Koncentration 100 80 60 40 20 0 0 5 10 0 5 10 15 20 25 30 15 20 25 30 Ventilläge 100 80 60 40 20 0 Tid Framkoppling – blockschema l Gff u r Σ Gc Σ y Gp −1 Hur välja kompensatorn Gff (s)? Beror på var i processen störningen l kommer in. Framkoppling – tankexempel Reglering av undre tanken l1 u 1 r Gc l2 y 2 Framkoppling – tankexempel Framkoppling från l1 : l1 Gff r Σ Gc u Σ Σ G p1 G p2 −1 Välj Gff (s) = −1 för att eliminera inverkan av störningen y Framkoppling – tankexempel Framkoppling från l2 : l2 Gff r Σ Gc u Σ G p1 Σ G p2 −1 Välj Gff (s) = − 1 för att eliminera inverkan av störningen G P1 y Implementering av framkoppling Inversen 1 kan vara problematisk att implementera G p1 (s) Exempel: G p1 (s) = 1 e−sL 1 + sT 1 = (1 + sT ) esL G p1 (s) (derivering och neg. tidsfördröjn.) Vanliga lösningar: ◮ Inför lågpassfilter (jmf D-delen i PID-regulatorn), approximera bort negativa tidsfördröjningar ◮ Implementera bara den statiska förstärkningen Dödtidskompensering Exempel på dödtidsprocess: G p(s) = K p −sL e 1 + sT Svårreglerad om L > T (dödtidsdominerad) Frekvensanalys: G p(s) = G p0 (s) e−sL p G p(iω c )p = p G p0 (iω c )p arg G p(iω c ) = arg G p0 (iω c ) − ω c L Ju större L, desto mindre fasmarginal Exempel: Reglering av pappersmaskin G p(s) = 2 e−4s 1 + 2s Output Simulering med försiktig PI-regulator ( K = 0.2, Ti = 2.6); laststörning vid t = 25: 1 0 0 50 Input 1 0 0 50 Time Exempel: Reglering av pappersmaskin Output Simulering med mer aggressiv PI-regulator ( K = 1, Ti = 1): 1 0 0 50 Input 1 0 0 50 Time Dödtidskompensering med Smith-prediktor r Regulator u Process Modell y y1 – + Σ + Modell utan dödtid y2 Regulatorn utformas efter modellen utan dödtid. Modellen måste vara ◮ asymptotiskt stabil ◮ tillräckligt noggrann Analys av Smith-prediktorn Smith-prediktor e r Σ u Σ Gc Ĝ p − Ĝ p0 −1 ◮ G p = G p0 e−sL – verklig process ◮ Ĝ p = Ĝ p0 e−s L̂ – modell av processen ◮ Ĝ p0 – modell av processen utan dödtid ◮ G c – regulator utformad för Ĝ p0 y Gp Analys av Smith-prediktorn Styrsignal: U= Gc 1 − G c ( Ĝ p − Ĝ p0 ) E Slutet system: Y= G p Gc 1 − G c ( Ĝ p − Ĝ p0 ) + G p G c R Antag G p = Ĝ p (perfekt modell): G p0 e−sL G c R 1 − G c ( G p0 e−sL − G p0 ) + G p0 e−sL G c G p0 G c = e−sL R 1 + G p0 G c Y= Som reglering av process utan dödtid, fast fördröjt svar Exempel: Reglering av pappersmaskin 2 1 + 2s Simulering med aggressiv PI-regulator ( K = 1, Ti = 1) och Smith-prediktor med perfekt processmodell: Output Modell utan dödtid: G p0 (s) = 1 0 0 50 Input 1 0 0 50 Time Exempel: Reglering av pappersmaskin Output Simulering med aggressiv PI-regulator och Smith-prediktor med imperfekt processmodell ( L̂ = 0.9L, T̂ = 0.9T ): 1 0 0 50 Input 1 0 0 50 Time Smith-prediktorn – slutsatser ◮ Fungerar bara för asymptotiskt stabila processer ◮ Fungerar bara om processmodellen är noggrann ◮ Regulatorn bör utformas så att slutna systemets tidskonstant inte blir mindre än processens dödtid (Finns bättre varianter av dödtidskompensering, men de bygger alla på prediktion med hjälp av en modell)