Upload
tranthuy
View
222
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
Modelarea si identificarea unei instalatii hidraulice cu doua rezervoare
Seminar stiintific20.10.2016
Janetta CulitaDan Stefanoiu
Cuprins
1. Motivatie2. Prezentarea instalatiei ASTANK23. Modelul analitic4. Extinderea modelului analitic5. Modelul experimental6. Rezultatele simularilor7. Concluzii si directii de cercetare viitoare
2/23
1. Motivatie
Procesele fluidice - intalnite in diferite domenii ale industriei (energie, petro-chimie, tratarea apei) sau in agricultura;
Sunt constituite din rezervoare multiple interactive - procese multivariable cu dinamica neliniara;
In literatura de specialitate :
- sunt prezentate instalatii cu 2, 3, 4 rezervoare (clasic)
- diferite forme geometrice (rectangulare, conice, sferice) ->modele nelinare
- aplicarea variatelor strategii de control pentru nivelul de lichid din rezervoare (PI, PID, bazate pe logica fuzzy, MPC)
Observatie ! Modelele prezentate sunt modele analitice (clasice)
Propuneri : modele analitic; analitic si experimental; experimental
3/23
2. Prezentarea instalatiei ASTANK2
Caracteristici : Versatilitate
Forma geometrica neregulata pentruprimul rezervor - prisma
Proces multivariabil
Marimi de intrare: tensiunea de alimentare a
pompei principale P - u;
Tensiunile aplicate pe fiecareelectro-valva FC1, FC2 – u1 , u2
Setarea ON/OFF a pompelorauxiliare (u11, u22 )
Marimi de iesire : nivelurile de lichid din rezervoarele principale (h1, h2 ) 4/23
u
u1
u2
Q1 Supplyblock
Electro-valves block
Q2
Qin1
Qin2
Tanks block
h1
h
h2
Auxiliary supply block
u11
u22
Qp1 Qp2
3. Modelul analitic (1)
Pressure transducer
short drainage pipe system
Flow transducer
5/23
Rezervor prismatic:
21
1 1
1 1 2
1 1
tan,
2tantan ,
2
h lL l h h H
V hH lh l L H h H
.
Modelul analitic :
1 11 1 1 1 1
21
1 1 1 1
tan 2 1 sin 2 ; ,4
tan 2 1 sin 2 sin 2 ,2 2
in
in
dh t h tL l l h t Q t a gh t h H
dt L
dh t H Hl L H Q t a gh t g h Hdt L L
3. Modelul analitic (2)
6/23
22 2 2 22in
dh tA Q t a gh t
dt
Modelul analitic al rezervorului paralelipipedic:
Debitul pe conducta de comunicare:
11 1 2 2 1
2
1 1 2 2 1
2 1 sin 2 2 ; ,4
2 1 sin 2 sin 2 2 ,2 2
T
T
h tdh tA a gh t a gh t Q t h H
dt L
dh t H HA a gh t g a gh t Q t h Hdt L L
1 21 2
2signc c
P h ghQ a P h gh
3. Modelul analitic (3)
Modelul analitic al rezervorului acumulator:
7/23
11 1 1
11 1
21
1 2
21
1 2
tan
2 1 sin 24
sign sin 24
2 sin 2 ;4
in p
c
dh tL l l h t Q t Q t
dt
h ta gh t
L
h ta h t h t
L
gh tg h t h t
L
22 2 1 2 2
21
1 2
21
1 2
2
sign sin 24
2 sin 2 ;4
in p
c
dh tA Q t Q t a gh t
dth t
a h t h tL
gh tg h t h t
L
11 1
2 2 1 2
2 1 sin 24
2 .
T
p p
h tdh tA a gh t
dt L
a gh t Q t Q t Q t
1h H
11 1
2
1 1
21
1 2
21
1 2
tan
2 1 sin 2 sin 22 2
sign sin 2 sin 22 4
2 sin 2 sin 22 4
in p
c
dh tl L H Q t Q t
dt
H Ha gh t gL L
h t H Ha h t h tL L
h t H Hg h t h tL L
1h H
22 2 1 2 2
21
1 2
21
1 2
2
sign sin 2 sin 22 4
2 sin 2 sin 22 4
in p
c
dh tA Q t Q t a gh t
dth t H Ha h t h t
L Lh t H Hg h t h t
L L
2
1 1
2 2 1 2
2 1 sin 2 sin 22 2
2
T
p p
dh t H HA a gh t gdt L L
a gh t Q t Q t Q t
3. Modelul analitic al rezervoarelor (4)
8/23
3. Modelul analitic (5) ASTANK2 – schema bloc inSimulink
Upper tanks block
h1
h2
h3
2
1
0
1
>=
Switch
u
on/of f
Q1
Q2
Q
Supply block
Qin1
Qin2
Qp1
Qp2
h1
Qout1
h2
Qout2
u1
u2
Q1
Q2
Qin1
Qin2
Electro-valve block
u11
u22
Qp1
Qp2
Auxi l iary supply block
Qout1
Qout2
Qp1
Qp2
Q
h
Accumulator tank
5u22
4u11
3u2
2u1
1u
9/23
3. Modelul analitic (6)
Dificultati & discutii:o valorile coeficientilor de curgere dependente de configuratia rezervoarelor
(aplicarea LSM)o determinarea precisa a coeficientilor de curgere a1, a2 , ac in configuratia
completa -> necesitatea adaugarii unor senzori de debit la iesirearezervoarelor
o decalibrarea senzorilor in timpul functionarii instalatieio s-a analizat fenomenul de histerezis - > neglijabil
10/23
pastrarea modelul analitic al rezervoarelor identificarea modelelor conductelor de alimentare a rezervoarelor pentru
combinatii 0<=u1<=10V , 0<=u2<=10Vtensiunea u - generare semnal SPA
Harta (matrice) de modele => interpolarea modelelor (pentru orice valoare u1 , u2)
u1,u2,u Qin1, Qin2 h1,h2
4. Extinderea modelului analitic
1 1
1 1
20
( ) ( )[ ] [ ] [ ]( ) ( )
{ [ ] [ ]} [ ]
B q C qy n u n e nF q D q
E e n e m n m
nfnf
ndnd
ncnc
nknbnb
qfqfqF
qdqdqD
qcqcqC
qqbqbqB
11
1
11
1
11
1
111
1
1)(
1)(
1)(
)()(
Model analiticModel analitic
H B/F
G C/D
+
e
u y
v Filtru de sistem
Filtru de zgomot
Box-Jenkins [nb,nc,nd,nf] :
11/23
4. Extinderea modelului analitic (2) – Rezultatesimulare
Alegerea indicilor structurali optimali : [nb,nc,nd,nf] (1:50) - Metoda empirica (Monte Carlo)
12/23
2
12
1 1
ˆ[ , ][ ] 100 1
1[ ] [ ]
N
Ndefn
N N N
n n
nn
y n y nN
θE
5. Modelul experimental (1)
Obiectiv : controlul nivelului de lichid din rezervoare Identificare multimodel pe o plaja larga de puncte de functionare, pentru
fiecare tensiune u => PSF (u,u1,u2)
=> Interpolare modele pentru tensiuni intermediare
2
1
uu
ASTANK2
2
1
hh
][)()(][
)()(][
)()(][
][)()(][
)()(][
)()(][
212
12
2122
122
1112
112
2
111
11
2121
121
1111
111
1
neqDqCnu
qFqBnu
qFqBny
neqDqCnu
qFqBnu
qFqBny
13/23
5. Modelul experimental (3) – experimenteconometric
Generarea marimilor de intrare : u1 si u2 – generare SPA => restrictie : limitarea salturilor de tensiune la 3V
variatie nu mai mica de 0.5V combinatii de valori acoperitoare pentru intreaga gama de tensiuni ale
electro-valvelor validarea – inversarea semnalelor de intrare
Dificultati: zona de functionare initiala – rezervoare goale =>
- sub 4 cm - date masurate afectate de zgomot (turbioane)- Ts=0.5 s - date masurate perturbate
Remediere: alegerea PSF in jurul valorii de 12 cm pentru evitarea turbulentelor care
efecteaza senzorii Ts=2s
14/23
5. Modelul experimental (2) – Algoritm de identificare
][)()(
][)()(][
)()(][ 1
1
212
12
111
11 ne
qDqC
nuqFqBnu
qFqBny
Problema: determinarea indicilor structurali optimali (nb,nf <=30, nc,nd<=100)
x_util= [nb1,nf1,nb2,nf2,nc,nd]
1. Generare aleatoare + combinatii posibile => fitness 2. Algoritm de ascensiune montana cu initializarea de la pasul 2 => Model util M13. In vederea estimarii zgomotului
3.1. C=1, D=1 =>
x_zgomot= [nb11,nf11,nb21,nf21,1,1] => Model M2
3.2. v=y_masurat-y_u3.3. se estimeaza e din => model M3
x_zgomot= [nb11,nf11,nb21,nf21,nc1,nd1]
4. Model final [nb1,nf1,nb2,nf2,nc,nd, nb11,nf11,nb21,nf21,nc1,nd1]
nenuqFqBnu
qFqBnuy
][)()(][
)()(][_ 211
2
112
1111
111
neqDqCnv
)()(][ 1
1
15/23
ASTANK2 este o instalatie versatila, care ofera posibilitatea efectuariiunei game largi de experimente si care permite, de asemenea,amplasarea de senzori suplimentari in acest scop;
O parte din modelele propuse (analitic si experimental) au fost validatepe cale experimentala;
Proiect depus (PED Proiect experimental – demonstrativ) :An Integrated Double Water Tank System
Cercetari viitoare : Imbunatatirea modelului analitic detectia si izolarea de defecte control optimal
7. Concluzii si directii de cercetare viitoare
22/23
Alvaradoa I., Limona D., Muñoz de la Peña D. et al., “A Comparative Analysis of Distributed MPCTechniques Applied to the HD-MPC Four-Tank Benchmark”, in Journal of Process Control, Vol.21, Issue 5, pp. 800–815, June 2011.
Aravind P., Valluvan M., Ranganathan S., “Modelling and Simulation of Non Linear Tank”International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and InstrumentationEngineering Vol. 2, Issue 2, pp. 842–849, February 2013.
Christy Y., Dinesh Kumar D., “Modeling and Design of Controllers for Interacting Two Tank HybridSystem (ITTHS)”, International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT), Vol. 3,Issue 7, pp. 88–91, January 2014.
Shijoh V., Vaidyan M.V., “Development of Nonlinear Model and Performance Evaluation of Modelbased Controller and Estimator for the Efficient Control of Three-Tank Hybrid System”,International Journal of Computer Applications (0975–8887) Volume 56, No.12, October 2012.
Culita Janetta, Stefanoiu Dan, Dumitrascu Alexandru- ASTANK2: Analytical Modeling andSimulation, CSCS-20, pp. 141-148 (Vol. 1), May 27–29, 2015
Dumitrascu Alexandru, Istratescu Cezar Stefan, Stefanoiu Dan, Culita Janetta-EnvironmentCommunication and Control Systems Integrated on Teaching Platforms – Case Study: DoubleWater Tank System (E), CSCS-20, pp. 941-945 (Vol. 2), May 27–29, 2015
. Bibliografie selectiva
23/23