11
Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri II Dersi KP Pompa akış sabiti 3.3 cm3/s/V DO1 Çıkış-1’in ağız çapı 0.635 cm DO2 Çıkış-2’nin ağız çapı 0.47625 cm At1 Tank-1’in kesit alanı 15.5179 cm 2 At2 Tank-2’nin kesit alanı 15.5179 cm 2 g Yer çekimi sabiti 981 cm/s 2 L10 Seviye-1’in denge noktası 15 cm L20 Seviye-2’nin denge noktası 15 cm VMAX_DAC Maksimum verilebilecek voltaj 10 volt Ao1 Tank-1 çıkış deliğinin alanı Ao2 Tank-2 çıkış deliğinin alanı Fi1 Tank-1’e suyun akış hızı Fi2 Tank-2’e suyun akış hızı Fo1 Tank-1’den suyun çıkış hızı Fo2 Tank-1’den suyun çıkış hızı GİRİŞ Bu deneyde şekilde görülen sıvı seviye tank sisteminin kontrolü gerçekleştirilmeye çalışılacaktır. İlk etapta tank 1’in sıvı seviye kontrolü PID denetleyici gerçekleştirilecek, daha sonra da tank 2’nin sıvı seviye kontrolü PI denetleyici ile gerçekleştirilecektir. Bu deneyde yapılacak işlemler aşağıda sıralanmıştır; Matematiksel hesaplama ile elde edilen doğrusallaştırılmış sistem modellerini kullanarak, ön çalışmadaki istenen özellikleri sağlayacak PID parametrelerini Tank1 Seviye kontrol ve Tank2 Seviye Kontrol için ayrı ayrı bulmak ve not etmek. Elde edilen PID parametrelerini kullanarak, doğrusal model ile doğrusal olmayan modelin basamak cevabını karşılaştırmak. Doğrusal olmayan model ile gerçek modelin basamak cevabını karşılaştırmak. Grup Adı: Sıvı Seviye Kontrol Deneyi ..../…../2019

Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri …¶yler... · 2019-11-30 · Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol

  • Upload
    others

  • View
    20

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri …¶yler... · 2019-11-30 · Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol

Ege Üniversitesi

Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü

Kontrol Sistemleri II Dersi

KP Pompa akış sabiti 3.3 cm3/s/V

DO1 Çıkış-1’in ağız çapı 0.635 cm

DO2 Çıkış-2’nin ağız çapı 0.47625 cm

At1 Tank-1’in kesit alanı 15.5179 cm2

At2 Tank-2’nin kesit alanı 15.5179 cm2

g Yer çekimi sabiti 981 cm/s2

L10 Seviye-1’in denge noktası 15 cm

L20 Seviye-2’nin denge noktası 15 cm

VMAX_DAC Maksimum verilebilecek voltaj 10 volt

Ao1 Tank-1 çıkış deliğinin alanı

Ao2 Tank-2 çıkış deliğinin alanı

Fi1 Tank-1’e suyun akış hızı

Fi2 Tank-2’e suyun akış hızı

Fo1 Tank-1’den suyun çıkış hızı

Fo2 Tank-1’den suyun çıkış hızı

GİRİŞ

Bu deneyde şekilde görülen sıvı seviye tank sisteminin

kontrolü gerçekleştirilmeye çalışılacaktır. İlk etapta tank 1’in sıvı seviye kontrolü PID denetleyici

gerçekleştirilecek, daha sonra da tank 2’nin sıvı seviye kontrolü PI denetleyici ile gerçekleştirilecektir.

Bu deneyde yapılacak işlemler aşağıda sıralanmıştır;

Matematiksel hesaplama ile elde edilen doğrusallaştırılmış sistem modellerini kullanarak, ön

çalışmadaki istenen özellikleri sağlayacak PID parametrelerini Tank1 Seviye kontrol ve Tank2

Seviye Kontrol için ayrı ayrı bulmak ve not etmek.

Elde edilen PID parametrelerini kullanarak, doğrusal model ile doğrusal olmayan modelin

basamak cevabını karşılaştırmak.

Doğrusal olmayan model ile gerçek modelin basamak cevabını karşılaştırmak.

Grup Adı: Sıvı Seviye Kontrol Deneyi ..../…../2019

Page 2: Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri …¶yler... · 2019-11-30 · Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol

MODELLING

where At1 is the area of Tank 1. Fi1 and Fo1 are the inflow rate and outflow rate, respectively. The

volumetric inflow rate to tank 1 is assumed to be directly proportional to the applied pump voltage,

such that:

Applying Bernoulli's equation for small orifices, the outflow velocity from tank 1, vo1, can be

expressed by the following relationship:

Ao1 is the cross-section area of tank 1 outlet hole:

The nonlinear equation of motion (EOM) of tank 1 should be linearized around a quiescent point of

operation. By definition, static equilibrium at a nominal operating point (Vp0,L10) is characterized by

the Tank 1 level being at a constant position L10 due to a constant water flow generated by constant

pump voltage Vp0.

In the case of the water level in tank 1, the operating range corresponds to small departure heights,

L11, and small departure voltages, Vp1, from the desired equilibrium point (Vp0,L10). Therefore, L1 and

Vp can be expressed as the sum of two quantities, as shown below:

The obtained linearized EOM should be a function of the system's small deviations about its

equilibrium point (Vp0,L10).

For a function, f, of two variables, L1 and Vp, a first-order approximation for small variations at a point

(L1,Vp) =(L10,Vp0) is given by the following Taylor's series approximation:

Page 3: Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri …¶yler... · 2019-11-30 · Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol

At equilibrium point, Fi1-Fo1 equals to zero.

The desired open-loop transfer function for the Coupled-Tank's tank 1 system is the following:

where Kdc1 is the open-loop transfer function DC gain, and τ1 is the time constant.

As a remark, it is obvious that linearized models, such as the Coupled-Tank tank 1's voltage-to-level

transfer function, are only approximate models. Therefore, they should be treated as such and used

with appropriate caution, that is to say within the valid operating range and/or conditions. However

for the scope of this lab, the Coupled-Tank tank 1's voltage-to-level transfer function is assumed valid

over the pump voltage and tank 1 water level entire operating range, Vp_peak and L1_max,

respectively.

In deriving the tank #2 EOM the mass balance principle can be applied to the water level in tank 2 as

follows

Page 4: Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri …¶yler... · 2019-11-30 · Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol

At equilibrium point, Fi2-Fo2 equals to zero.

Page 5: Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri …¶yler... · 2019-11-30 · Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol

TANK 1 LEVEL CONTROL

Here a control is designed to regulate the water level (or height) of tank #1 using the pump voltage.

The control is based on a PID. The control scheme is based on PID, as illustrated in Figure, below.

Given a ±1 cm square wave level setpoint (about the operating point), the level in tank 1 should

satisfy the following design performance requirements:

1. Tank 1 operating level at 15 cm: L10 = 15 cm.

2. Percent overshoot should be less than or equal to 10%: PO1 ≤ 10:0 %.

3. Settling time less than 30 seconds: ts_1 ≤ 30 s.

4. Steady-state error less than 1%: ess_1 < 0.01 cm.

5. Input voltage should be less than 45 V: Vp<45 V.

For PID gains of:

Kp=

Ki=

Kd=

N=

Simulation Results

L1 Vp

Ad-Soyad: Tarih:İmza:Grup Adı:

SIVI SEVİYE SİSTEMİ

Page 6: Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri …¶yler... · 2019-11-30 · Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol

TANK 2 LEVEL CONTROL

The pump feeds tank 1 and tank 1 feeds tank 2. The designed closed-loop system is to control the

water level in tank 2 (i.e. the bottom tank) from the water flow coming out of tank 1, located above

it. The control scheme is based on PI, as illustrated in Figure, below.

In response to a desired ±1 cm square wave level setpoint from tank 2 equilibrium level position, the

water height behaviour should satisfy the following design performance requirements:

1. Tank 2 operating level at 15 cm: L20 = 15 cm.

2. Tank 1 operating level should be less than 25: L1<25 cm

3. Percent overshoot should be less than or equal to 10%: PO2 ≤ 10:0 %.

4. Settling time less than 140 seconds: ts_2 ≤ 140:0 s.

5. Steady-state error less than 1%: ess_2 < 0.01 cm.

6. Input voltage should be less than 45 V: Vp<45 V.

Simulation Results

L1 Vp

L2

For PI gains of:

Kp=

Ki=

Page 7: Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri …¶yler... · 2019-11-30 · Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol

LAB EXPERIMENTS

TANK 1 LEVEL CONTROL

1. Compare Linear and Non-linear model responses:

Page 8: Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri …¶yler... · 2019-11-30 · Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol

2. Compare Non-linear and Real model responses:

Page 9: Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri …¶yler... · 2019-11-30 · Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol

TANK 2 LEVEL CONTROL

1. Compare Linear and Non-linear model responses:

Page 10: Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri …¶yler... · 2019-11-30 · Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol

2. Compare Non-linear and Real model responses:

Page 11: Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri …¶yler... · 2019-11-30 · Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol

SONUÇ

1. Yaptığımız uygulamalarda PI veya PID denetleyicilerinin Kp,Ki ve Kd değerlerini Ziegler-Nichols

metoduyla bulup kullanabilir miydik? Nedeniyle beraber açıklayınız.

2. Tank 2 Level Control örneğinde neden PID değil de PI kullandık?

3. Denetleyici ve sistemi değiştirmeden, referans olarak 15 değil de 20 verseydik, nasıl bir sonuç elde

ederdik?