Program pro ověření algoritmů řízení pro laboratorní model teplovzdušného agregátu

Teplovzdušný agregát, jehož schéma je vidět na obr. 11, je školní příklad tepelné soustavy určené pro regulaci teploty v laboratorních podmínkách. Obvod je již realizována na katedře ATŘ strojní fakulty při VŠB-TU Ostrava. Hlavní úlohou je regulace teploty v tunelu agregátu, který je tvořen žárovkou (zdroj tepla) umístěnou v tunelu a napájenou z řiditelného zdroje napětí. Do tunelu je možno zavést jako poruchu proud vzduchu, vháněný ventilátorem taktéž napájeným z řiditelného zdroje. V soustavě je umístěno 6 snímačů:

SNÍMAČ TEPLOTY BAŇKY ŽÁROVKY,

SNÍMAČ TEPLOTY 5mm OD ŽÁROVKY (V našem případě využitý pro regulaci teploty),

SNÍMAČ TEPLOTY NA VÝSTUPU Z TUNELU,

SNÍMAČ JASU ŽÁROVKY – fotorezistor,

TERMOANEMOMETR – je tvořen dvěma termistory měřícími rychlost vzduchu v tunelu (na principu rozdílu teplot v proudu vzduchu a mimo něj),

OBJEMOVÝ VRTULKOVÝ PRŮTOKOMĚR – vrtulka s připojeným snímačem otáček.

Soustava propojena s PC pomocí jednotky styku s prostředím CTRL. Na PC lze realizovat různé algoritmy regulace. Jednotka CTRL komunikuje se simulačním programem SIPRO 3.4 pomocí bloků CTI a CTO, nebo pomocí programu CTRL.exe, po sériové lince RS232. Oba programy pracují v prostředí MSDOS. Nevýhodou stávajícího řešení je pomalá komunikace soustavy s počítačem. To je omezeno, nebereme li v úvahu rychlost PC, možnostmi jednotky CTRL (umožňuje nejnižší vzorkovací periodu 0,1s).

Řešením stávajících omezení je propojení PC s teplovzdušným agregátem přímo přes interní měřící kartu. V našem případě byla použita měřící karta AD512 pro systémy IBM PC a kompatibilní. S kartou se komunikuje pomocí programu MATLAB 4.2 / SIMULINK a jeho nástavby pro řízení reálných modelů REAL TIME TOOLBOX.

Obr. 11. Schéma teplovzdušného agregátu

Zapojení konektorů propojovacího kabelu CANON 25 na straně soustavy a CANON 37 na straně karty AD512, je patrné z tabulky. Dále pak přiřazení jednotlivých vstupů a výstupů s příslušnými kanály.

Tab 2. Zapojení konektorů pro spojovací kabel (karta AD512 – teplovzdušný agregát)

SNÍMAČ/AKČNÍČLEN	Canon 25	Canon 37	AD 512 – I/O	Kanál
Termistor v tunelu	4	1	AD0	IN - 1
Termistor 5mm od baňky	2	2	AD1	IN - 2
Termistor na baňce	3	3	AD2	IN - 3
Fotorezistor	1	4	AD3	IN - 4
Snímač otáček	7	5	AD4	IN - 5
Termoanemometr	6	6	AD5	IN - 6
Žárovka	15	20	DA0	OUT - 1
Malý ventilátor	17	21	DA1	OUT - 2
Zem	25	22-9-10

Pro možnost uživatelsky komfortnějšího experimentování s modelem byl sestaven program, pomocí něhož je možné řídit celý experiment bez nutnosti znát program MATLAB / SIMULINK/REAL TIME TOOLBOX. Úvodní obrazovka je vidět na obr. 12.

Obr. 12. Úvodní obrazovka programu pro řízení teploty v teplovzdušném agregátu

Program umožňuje:

sledování všech parametrů soustavy a jejich nastavování,

regulaci teploty v teplovzdušném agregátu pomocí řízení navrženého metodou agregace a řízení v klouzavém režimu,

nastavování důležitých parametrů simulace (doba simulace, působení poruchy,…),

nastavování parametrů řídícího algoritmu (hodnoty zesílení,…),

možnost uložení výsledků simulace do souboru a jejich zpětné vyvolání,

automatický výpočet počátečních podmínek řízení podle momentálního stavu soustavy.

Obr. 13. Obrazovka vyhodnocení měření

Na obr. 13 je vidět zobrazení průběhu regulované a řídicí veličiny pro zvolený algoritmus řízení.

Pomocí vytvořeného programu lze ověřovat kromě PID regulátorů i algoritmy řízení využívající klouzavý režim, které jsou popsány vztahy

(1)

(2)

kde x - je vektor stavových veličin (stav), u - vektor řídících proměnných (řízení), v- vektor poruchových proměnných, f- spojitá vektorová funkce, jejíž prvky jsou obecně nelineární spojité funkce, D – agregační matice, T – diagonální matice s konstantními prvky, e – vektor regulačních odchylek, U^m – diagonální matice, jejíž prvky jsou maximální hodnoty jednotlivých složek řízení,Q - adaptační matice, sgn je znaménková funkce (signum)._,sta – funkce nasycení.

Vektor počátečních stavů řízení u₀ má význam pouze pro udržení řízeného subsystému v rovnovážném stavu pro . Řízení (1) vlastně připomíná rychlé nespojité řízení a z toho také vyplývají jeho nedostatky. Největším problémem jsou nároky na akční člen, který musí být schopen rychle reagovat na změnu řídící veličiny. Nepříjemnosti s nespojitým řízením se dají částečně odstranit nahrazením funkce sgn (u) funkcí nasycení sat (u).

Pro návrh uvedených algoritmů řízení je třeba znát řád řízeného dynamického systému. Na základě změřené přechodové charakteristiky bylo zjištěno, že vlastnosti teplovzdušného agregátu lze popsat diferenční rovnicí druhého řádu, takže uvedené algoritmy řízení mají tvar

(3)

(4)

Průběh řízené veličiny pro oba algoritmy jsou vidět na obr. 13. V čase 60 s byla zavedena porucha, ale je vidět, že na průběhu obou veličin se nic nezměnilo, takže oba algoritmy řízení (1) a (2) jsou robustní k působící poruše.

a.)b.)

Obr. 14. Průběh řízení teploty agregátu
a.) pro algoritmus řízení pracující s funkcí signum
b.) pro algoritmus řízení pracující s funkcí nasycení