Høgskolen i Oslo: SO303E Kybernetikk 2 (høst-08)

Prosjektoppgave:

Systemidentifikasjon og temperaturregulering av varmluftrør

Hva prosjektoppgaven går ut på

Dere skal estimere en tidsdiskret transferfunksjonsmodell for et varmluftrør vha. Matlab-funksjonen n4sid (som estimerer modeller med en subspace-metode). LabVIEW skal brukes til fysisk styring og måling på prosessen. På basis av den estimerte modellen skal et temperaturreguleringssystem for prosessen simuleres i Simulink for å finne brukbare regulatorparametre i en PI-regulator. Så skal et temperaturreguleringssystem implementeres i LabVIEW, og til slutt skal dere analysere reguleringssystemet i Matlab.

Utstyr

  • PC med LabVIEW og Matlab/Simulink (og System Identification Toolbox og Control System Toolbox)
  • NI USB-6008 I/O-utstyr.
  • Varmluftrør

Oppgaver

  1. Analog I/O: Sjekk at analog I/O i LabVIEW virker. Foreta først konfigurering og sjekk i MAX, deretter prøver dere I/O i LabVIEW med f.eks. ao_ai.vi. Denne VI'en kan dere også bruke som utgangspunkt for deres egne LabVIEW-filer i denne prosjektoppgaven. Bruk gjerne samplingstid lik 0,1 sek. Her er en tutorial om bruk av NI USB-6008, inkl. bruk av ao_ai.vi.
  2. Estimering av transferfunksjon: Finn en tidsdiskret transferfunksjonsmodell for prosessen  (fra pådrag til temperaturmåling) vha. bl.a. n4sid-funksjonen i Matlab ut fra loggede data av pådrag i enhet volt og måling i enhet volt. (Kap. 10.4 i kompendiet omhandler estimering av transferfunksjon med n4sid. Jeg anbefaler å bruke de-trendede dataserier av pådrag og måling som grunnlag for estimeringen. Bruk mean-funksjonen i Matlab til å fjerne middelverdien fra en dataserie.) Bruk LabVIEW til å styre (eksitere) prosessen og til å logge data til fil. Filskriving i LabVIEW kan enkelt realiseres med Write to Measurement File-funksjonen på File I/O-paletten (ta gjerne en kikk på kap. 8.5 i Introduction to LabVIEW). Filimport i Matab kan utføres med load-funksjonen eller vha. Import Wizard som er tilgjengelig via File-menyen. Write to Measurement File-funksjonen bør brukes til å lagre dataene i en tekstfil (ikke binærfil). Filtypen blir da lvm. Det kan være nødvendig å endre filnavnet fra *.lvm til *.dat før bruk av load-funksjonen. Ikke velg for lav orden i modellen (for å få representert dødtid med modellen). Prøv f.eks. orden 8.
    Den estimerte transferfunksjonen har enhet volt på utgangen. Dere skal legge inn en omregning fra volt til grader C, slik at den resulterende transferfunksjonen har grader C som enhet på utgangen. Sammenhengen mellom volt og grader C står på hjemmesiden for varmluftrøret.
  3. Er modellen brukbar? Sjekk den estimerte modellens godhet i Matlab ved visuelt å sammenlikne simulert måling med logget måling (i ett plott). Sammenlikningen bør foretas på basis av data fra et annet eksperiment enn det som ble benyttet for estimeringen. Simulering i Matlab kan gjøres med lsim-funksjonen.
  4. Simulering av temperaturreguleringssystem i Simulink: Bruk Simulink til å stille inn en PI-regulator for temperaturregulering av prosessen. Reguleringssystemet skal inneholde et 1. ordens lavpass-målefilter som skal ha tidskonstant 1 sek (bruk gjerne en transferfunksjonsblokk). Velg selv innstillingsmetode. Sjekk (med simulering) at reguleringssystemets stabilitet er ok. Referansen (settpunktet) skal være i grader C.
  5. Implementering av temperaturreguleringssystem i LabVIEW: Implementer et temperaturreguleringssystem for den virkelige prosessen i LabVIEW. Bruk LabVIEWs PID Advanced function. Som i Simulink-oppgaven ovenfor, skal reguleringssystemet inneholde et målefilter. Det fins diverse filterfunksjoner i LabVIEW, men de har alle noen ulemper ifm. bruk i et reguleringssystem. Dere kan bruke lavpassfilteret i LabVIEW Goldmine. Har reguleringssystemet tilfredsstillende stabilitet, eller er det behov for etterjustering av regulatorparameterene i forhold til parametrene som ble funnet i Simulink? Er reguleringssystemets evne til å følge en referanseendring (i form av et sprang) og dets evne til å kompensere for en forstyrrelse (varig endring av luftstrømningen) tilfredsstillende?
  6. Analye av reguleringssystemet: Finn reguleringssystemets båndbredde (i Hz) og dets stabilitetsmarginer (forsterkningsmargin og fasemargin) vha. passende funksjoner i Matlab.

 [Prosjektoppgaver]

Oppdatert 6.11.08 av Finn Haugen. E-post: finn@techteach.no.