WERKBOEK DEEL 1: BEGRIPPEN

Transcriptie

1 ACTA-SIM WERKBOEK DEEL 1: BEGRIPPEN J. BAS & C. CLERXK Aanpassing J. Baeten Werkboek ACTA-SIM versie pag. 1

2 INHOUDSOPGAVE.1 VOORWOORD PC-CONFIGURATIE EN INSTELLINGEN INSTALLATIE VAN DE SOFTWARE GEBRUIKERS INTERFACE Simulatiescherm Afdrukscherm STUREN - REGELEN DOELSTELLINGEN GEBRUIKERS INTERFACE : VERWARMING VAN EEN WONING INSTRUMENTEN TREND DOE-ACTIVITEIT Eerste oefening: de woning verwarmen Storingen Regelen van de woningtemperatuur Manueel regelen Automatisch regelen Storingen bij automatisch regelen PROCESVOORBEELDEN KENMERKEN VAN EEN PROCES DRUKVAT Doelstellingen Gebruikers interface Proces Instrumenten Vragen en opgaven DOUCHE Doelstellingen Gebruikers interface Proces Instrumenten Trend Vragen en opgaven RESERVOIR Doelstellingen Gebruikers interface Proces Instrumenten Trend Vragen en opgaven TRANSMITTER Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 2

3 3.1 DOELSTELLINGEN GEBRUIKERS INTERFACE Proces Instrumenten VRAGEN EN OPGAVEN REGELAAR DOELSTELLINGEN GEBRUIKERS INTERFACE Proces Instrumenten Regelaar Draaiknop PV Voorstelling procesgegevens Trend VRAGEN EN OPGAVEN AAN/UIT regelaar P-regelaar PI-regelaar CORRIGEREND ORGAAN DOELSTELLINGEN GEBRUIKERS INTERFACE Proces Instrumenten VRAGEN EN OPGAVEN Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 3

4 .1 Voorwoord ACTA-SIM wil initiële Meet- en Regeltechniek in het bereik van de school brengen. De software voor ACTA-SIM werd in opdracht van ACTA door J. Bas ontwikkeld in LABVIEW en met een Application Builder gecompileerd. Het product mag met toestemming van National Instruments in een runtime versie gratis verspreid worden voor onderwijsdoeleinden in scholen. De begeleidende Handleiding voor de Leerling, opgesteld door C. Clerx, is een product van ACTA. De tekst mag voor onderwijsdoeleinden in scholen gratis verspreid, verveelvoudigd of volgens wens van de leraar gewijzigd worden. De voorliggende versie van de handleiding werd aangepast door J. Baeten voor de studenten scheikunde en biochemie uit de academische bachelor industriële wetenschappen. Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 4

5 .2 PC-configuratie en instellingen Kenmerken van de PC-configuratie : Minimum 486 processor. 16 Mbyte RAM. 1 Mbyte of meer videoram. Systeeminstellingen : Resolutie beeldscherm: 64 x 48 pixels. Kleurenpalet: Hoge kleuren 16 bit..3 Installatie van de software De software staat op 4 diskettes (of bevindt zich in 4 mappen met de naam disk1 disk4 op de CD-rom) Disk 1 met de bestanden "setup" en "data1" Disk 2,3 en 4 met respectievelijk de bestanden "data2","data3" en "data4" De software installeer je door het bestand setup te activeren op disk1 en de instructies op het scherm te volgen (na een klik op de knop "einde" start de installatie ). De software wordt standaard geplaatst in C:\ACTASIM (je kan dit wijzigen in het installatiescherm) en in de taakbalk wordt een folder aangemaakt met de naam ACTASIM In de map ACTASIM bevinden zich na de installatie de bestanden Deel1.doc en Deel2.doc, deze bestanden bevatten de handleiding voor de leerling en kan je openen met de tekstverwerker "Word". Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 5

6 .4 Gebruikers interface.4.1 Simulatiescherm Procesbeeld Trend of meetinstrumenten RESET Begin proces opnieuw Terug naar vorig beeld Simulatiesnelheid = echte kloktijd = versneld Regeling en instelling variabele grootheden Keuze procesbeeld en instelling kenmerken proces (in stand HALT) Keuzeknop = simulatie gestart = simulatie gestopt Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 6

7 Trend : Begin- en eindwaarden van het x en y schaalbereik kan je aanpassen. Ga met de cursor naar het te wijzigen getal, wanneer de muiswijzer wijzigt van een handje in een streepje, druk je op de linker muistoets, nu kan je het getal verwijderen met de terug toets en een nieuw getal ingeven. wis de grafieken naar afdrukscherm Het programma onthoudt 6 seconden grafiek. Met de schuifbalk kan je de grafiek over deze 6 seconden verschuiven Belangrijk: In deze handleiding gebruiken we voor de getalwaarde van de temperatuurgrootheid steeds het SIsymbool T en dit om elke verwarring met het SI-symbool t, voor de basisgrootheid tijd, te vermijden. Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 7

8 .4.2 Afdrukscherm Druk je op de knop print van de trend in het simulatiescherm dan gaat de simulatie in halt en verschijnt het afdrukscherm. Dit scherm kan je gebruiken om de grafieken nader te bestuderen en aan te passen voor de definitieve afdruk op je printer. naar simulatiescherm druk af op printer grafiek aan/uit schakelen in- en uitzoomen precisie en type schaal Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 8

9 1. STUREN - REGELEN 1.1 Doelstellingen Het proces en grootheden die het proces beïnvloeden begrijpen. Het verschil tussen sturen en regelen kunnen verklaren. De verschillende onderdelen in een blokschema kunnen voorstellen 1.2 Gebruikers interface : verwarming van een woning Keuzeschakelaar deur open/dicht Keuzeschakelaar wolk/zon Buitentemperatuur Kamertemperatuur T1 : rood Buitentemperatuur T2 : geel Verwarmingselement Bargrafh-indicatie vermogentoevoer verwarming Keuzeschakelaar sturen/regelen Druktoets oproepen blokschema Keuzeschakelaar automatische/manueel regelen Schuifregelaar gewenste temperatuur Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 9

10 Het proces bestaat erin dat we een woning gaan verwarmen. Op het scherm staan enkele elementen waarop je kan klikken. De wolk/zon Je laat de zon schijnen of er een wolk voor schuiven. De deur Je klikt ze open of dicht. De schakelaar AAN / UIT Daarmee zet je een elektrische radiator aan of uit. Je kan ook klikken op enkele keuzeknoppen. Je kiest daarmee voor één van twee mogelijkheden. STUREN / REGELEN REËEL / SNEL START / HALT Opgelet! De tekst in de knop duidt aan wat er aan het gebeuren is. - Dus START betekent dat het proces loopt. Door weer op START te klikken zet je het proces stil. - Bij REËEL laat je een proces in reële kloktijd aflopen. Klik opnieuw en SNEL verschijnt in de knop, wat betekent dat je het proces versneld laat aflopen. - Wanneer STUREN in de keuzeknop geselecteerd staat, ben je in een stuurproces bezig. Door er opnieuw op te klikken ga je naar een regelproces. Dan staat REGELEN in de keuzeknop. Verder zijn er ook enkele gewone knoppen. CLS (Clear screen) Je wist de grafiek. PRINT Je drukt de lopende grafiek af op de printer. RESET Je wist een lopende oefening en kunt opnieuw beginnen. VORIG Je springt naar het vorig menu. BLOKSCHEMA Je toont de blokschematische voorstelling op het scherm. 1.3 Instrumenten De temperatuur kunnen we op enkele instrumenten aflezen. Er is een thermometer voor de buitentemperatuur. Bij de keuze STUREN is er een thermometer die de binnentemperatuur in de woning weergeeft. Bij REGELEN verschijnt een regelaar met analoge en digitale aanduiding van de gemeten binnentemperatuur. Hoe bedienen we de elektrische radiator? Bij keuze STUREN: de elektrische radiator met de hand AAN / UIT - schakelen met de schakelaar. Bij keuze REGELEN en het regelorgaan in stand manueel M: de energietoevoer naar de radiator met de hand wijzigen door de manuele instelling te veranderen. bij keuze REGELEN en het regelorgaan in de stand automatisch A/M:de radiator automatisch laten regelen, waarbij men de gewenste temperatuur instelt met SP. In de doe-activiteit zullen we een aantal van deze parameters gaan wijzigen en storende factoren aanbrengen om hun invloed op de woningtemperatuur te onderzoeken. Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 1

11 1.4 Trend Een trend is een grafisch verloop in functie van de tijd. De volgende grootheden worden daarbij grafisch voorgesteld: Grootheid Eenheid Kleur Commentaar T 2 C geel buitentemperatuur T 1 C rood kamertemperatuur 1.5 Doe-activiteit Eerste oefening: de woning verwarmen Selecteer de stand STUREN. Zorg dat het proces in HALT staat (druk zonodig op START). Klik op BLOKSCHEMA. Je krijgt dan volgend beeld: Hoe heet dit systeem ook weer? O Open lus O Gesloten lus Keer terug naar het proces door te klikken op Vorige. Hoeveel graden bedraagt de binnentemperatuur? C En de buitentemperatuur? C De radiator stond blijkbaar uit. Zet hem nu aan door op de blauwe schakelaar te klikken en START het opwarmingsproces (door een klik op keuzeknop HALT / START). Wanneer de verwarming aan staat, kan je het verloop versnellen door op de keuzeknop SNEL te selecteren. Op die manier kunnen we in onze simulatie veel tijd sparen. Naar welke eindwaarde is de binnentemperatuur ongeveer gestegen? C Hoelang heeft dat opwarmingsproces geduurd? seconden Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 11

12 1.5.2 Storingen De temperatuur in de woning kan veranderen door wijzigende weersomstandigheden. Zon in plaats van wolken! Eerst gaan we het proces "resetten". Selecteer HALT. Druk op RESET. Klik op de WOLK. Die verandert in een stralende zon. START opnieuw. Om tijd te sparen werk je best met de SNEL-toets. Wat gebeurt er met de kamertemperatuur? Wat gebeurt er met de buitentemperatuur? Opnieuw bewolkt! Selecteer HALT en RESET. Klik op de ZON. Er hangt nu weer een zware regenwolk. We willen naar binnen om te schuilen. Zet de DEUR open door er op te klikken. START opnieuw het verwarmingsproces, met een openstaande deur. Wat stel je vast bij het verloop van de binnen- en buitentemperatuur? Regelen van de woningtemperatuur. Tot nu toe hebben we de temperatuur van de woning gewijzigd door de radiator willekeurig AAN of UIT te zetten. We gaan nu de temperatuur regelen, d.w.z. de werking van de radiator koppelen aan de temperatuur in de woning. Daarvoor selecteer je REGELEN op de keuzeknop in het controlepaneel. Op de plaats van de thermometer verschijnt nu een regelaar, met een keuzeknop M of A/M. Het regelen dus gebeurt naar keuze: ofwel manueel, waarbij je met de hand het regelinstrument bedient, ofwel automatisch. Verder zie je ook een schuifregelaar, waarmee je de gewenste waarde of SP (= Set Point) instelt. En naast de SP kun je dan werkelijke waarde of PV (Process Value) aflezen. Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 12

13 Manueel regelen. Selecteer REGELEN in het rechter controlepaneel op je scherm. Zet regelaar in de stand M ( = manueel). Stel met de hand op de schuifregelaar de gewenste waarde in op 22 C. Selecteer HALT en klik meteen op BLOKSCHEMA. Je ziet nu de volgende voorstelling. Eerst nog enkele begrippen verklaren. het corrigerend orgaan het proces de sensor = de radiator = de woningtemperatuur = de thermometer Controleer in BLOKSCHEMA de werkelijke waarde van het proces. 18, 21.6 of 22 C? Komt PV overeen met SP? O Ja O Neen Zet nu de SP ( = setpoint) op de schuifregelaar op 2 C en sel ecteer START. Wat gebeurt er met de PV ( = proceswaarde)? Zet nu de verwarming open met de schuifregelaar. Zoek naar de juiste instelling om 2 C te bekome n. Is dit een automatische of een manuele regeling? Breng een storing aan (klik op de wolk of op de deur). Wat gebeurt er met de PV ( = proceswaarde)? Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 13

14 Automatisch regelen. Klik nu in het regelpaneel op A/M. Stop het proces en klik op BLOKSCHEMA. Waarom noemt men dit een proces in gesloten lus ( = closed loop)? Klik VORIGE, RESET de simulatie en START opnieuw (SP = 2 C). Bestudeer de PV ( = proceswaarde) op de grafiek. De woningtemperatuur gaat heen en weer schommelen tussen twee uiterste waarden: maximale temperatuur = T max minimale temperatuur = T m i n. Het verschil tussen beide waarden, nl. T max T min = een waarde die we voortaan HYSTERESIS noemen. Hoe groot is hier de hysteresis?.. C De toegepaste regelaar is in dit geval een AAN/UIT regelaar. De regelaar kent slechts twee standen: ofwel opwarmen tegen volledig vermogen ofwel op natuurlijke wijze laten afkoelen. Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 14

15 Storingen bij automatisch regelen Het openen van de deur Zet de deur van de woning open en Start. Wat stel je vast in de grafiek van de opwarming? Bij een openstaande deur wordt het proces blijkbaar meer belast dan bij een gesloten deur. Sluit na een tijdje de deur weer en wacht tot er weer evenwicht in de schommeling van de kamertemperatuur komt. Vergelijk de grafiek van de opwarming met de vorige. Welk verschil merk je? Bij een gesloten deur wordt het proces blijkbaar minder belast dan bij een open deur. Opmerking: de afkoeling zou in principe ook sneller moeten gebeuren maar wordt niet volledig correct gesimuleerd. Zonneschijn Klik nu om de zon weer te laten schijnen. RESET en START. Wat gaat sneller: het stijgen of het dalen van de binnentemperatuur? Bekijk tot slot de drie voorgaande blokschema s nog een keer en verklaar de essentiële verschillen. Sturen = Manueel regelen = Automatisch regelen = En hiermee zijn we aan het einde van deze korte rondleiding door het deel sturen-regelen. In het volgende deel gaan we dieper in op een aantal procesvoorbeelden. Het proces staat steeds centraal in een regelsysteem. Wie daarvan niet goed op de hoogte is, kan onmogelijk een goed geregeld systeem ontwerpen. Goed inzicht is hier van beslissend belang om verder te kunnen gaan. Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 15

16 2. PROCESVOORBEELDEN In het menu kan je kiezen tussen een aantal procesvoorbeelden. Er worden verschillende soorten processen gesimuleerd waarvan men het statisch en dynamisch gedrag kan bestuderen. De eigenschappen van het proces kunnen er worden uit afgeleid. Waar mogelijk wordt tevens het meetprincipe van de procesgrootheid voorgesteld. 2.1 Kenmerken van een proces De proceskarakteristiek geeft het tijdsonafhankelijk of statisch gedrag weer. Uit 8 6 Uit 4 In In Een proces is direct werkend als bij toenemend ingangssignaal het uitgangssignaal ook toeneemt. Een proces werkt indirect als bij een stijgend ingangssignaal het uitgangssignaal daalt. Er kan een statische overdrachtsverhouding of procesversterking optreden: In K Uit K s = Uit In De Staprespons geeft het tijdafhankelijk of dynamisch gedrag weer. Het dynamisch gedrag van de meeste processen wordt gekenmerkt door - één dode tijd en - één of meer tijdconstanten De tijdconstante τ is de tijd om 63% van de eindwaarde te bereiken. De dode tijd t d = de tijd die er verstrijkt vooraleer het proces reageert. Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 16

17 Wanneer men bij een proces een stapvormig ingangsignaal aanlegt en de uitgang (eventueel met een vaste vertraging) de ingang volgt, dan spreekt men van een nulde orde-proces. Wanneer de uitgang `stilaan de ingang volgt, dan is dit mogelijk een eerste orde-proces. nulde orde-proces eerste orde-proces In In In In Uit t(s) Uit t(s) Uit,63. Uit Uit t d t(s) t d τ t(s) Een proces dat meerdere tijdconstanten bevat, noemt men naar het aantal tijdconstanten. Bv. twee tijdconstanten = een tweede orde-proces. drie tijdconstanten = een derde orde-proces. Wanneer een proces rechtlijnig hellend reageert op een stap aan de ingang, spreekt men van een integrerend proces. PV Staprespons t (s) Processen die uit zichzelf naar een evenwichtswaarde evolueren, heten zelfstabiliserende processen; de andere processen noemt men niet-zelfstabiliserend. Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 17

18 2.2 Drukvat Doelstellingen Het dynamische gedrag van een eerste orde-proces begrijpen. staprespons en tijdconstante verklaren Gebruikers interface Klep open/dicht Regelen toevoerdruk Eenheid van druk in kpa of bar Instellen volume vat ( na «RESET») ( na «RESET») Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 18

19 Proces Een drukvat met een inhoud van V m 3 wordt onder druk gebracht met lucht langs een toevoerleiding met een klep. De toevoerleiding met klep vormt een weerstand R voor de lucht in de leiding Instrumenten De drukmeter PI meet de druk p in het vat. 2 De digitale indicator geeft de toevoerdruk p weer. 1 De druk in de toevoerleiding kan je instellen met p. 1 Het volume van het drukvat kan je na een RESET instellen met de draaiknop V. De klep kan je openen of sluiten met een klik van de linker muisknop op het beeld van de klep. Na een RESET kan je met een klik op de keuzeschakelaar EENHEID de voorgestelde eenheid van de grootheid druk wijzigen van de SI eenheid Pa naar bar en weer van bar naar Pa Vragen en opgaven De volgende formules en begrippen helpen je bij het oplossen van de vragen en opgaven : Druk is de kracht per oppervlakte-eenheid : P = F A waarin : P de druk is in Pa (N/m²), F de kracht in N, A de oppervlakte in m². De SI-eenheid van druk is N/m². Deze eenheid wordt met Pascal (Pa) aangeduid. Andere veel gebruikte eenheden zijn bar, kpa en MPa. De tijdconstante τ van een proces is de tijd die nodig is om, na een stapvormige verandering van het ingangssignaal, het uitgangssignaal 63% van zijn eindwaarde te laten bereiken. Praktisch wordt na een tijd = 5 x τ, 1% van de eindwaarde bereikt. τ = R. C waarin voor een drukvat : R de weerstand is van toevoerleiding in 1 m.s C de capaciteit van het vat in m.s² De capaciteit C is evenredig met het volume V. -t/τ p 2 = p 1 ( 1 e ) (wiskundige uitdrukking van het verloop van p 2 in de tijd, na een stapvormige verandering van de druk p 1 in de toevoerleiding). Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 19

20 1. Geef de grootheid van het ingangssignaal :... Geef de grootheid van het uitgangssignaal : Neem de statische proceskarakteristiek op en bepaal hieruit de procesversterking K s Voor V =,5 m³ p 2 (kpa) p 1 (kpa) p 2 (kpa) K s =.. =. [ ] p 1 (kpa) Voor V = 1 m³ p 2 (kpa) p 1 (kpa) p 2 (kpa) p 1 (kpa) K s =. [ ] Besluit : K s =. [ ] Dit betekent dat in rusttoestand : De druk in het vat gelijk is aan de druk in de toevoerleiding De druk in het vat kleiner is dan de druk in de toevoerleiding De druk in het vat nooit gelijk wordt aan de druk in het de toevoerleiding Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 2

21 2. Neem de dynamische karakteristiek op, maak een afdruk en bepaal hieruit de tijdconstante τ van het proces, voor volgende instellingen : Toevoerdruk P 1 = 8 kpa en een V = 1 m³ τ =... s Toevoerdruk P 1 = 8 kpa en een V =,5 m³ τ =... s Toevoerdruk P 1 = 4 bar en een V =,5 m³ τ =... s Opmerking: 5/8 = 63%: dus τ aflezen daar waar 5 kpa bereikt wordt. Besluit De tijdconstante τ hangt af van: het volume en de toevoerdruk het volume de toevoerdruk 3. Als de weerstand (niet simuleerbaar) van de leidingen, kleppen, aansluitingen e.d. toeneemt dan zal de tijdconstante τ : Afnemen Toenemen 4. Waarom noemt men dit proces een 1 ste orde proces? Welk verband is er tussen volgende eenheden? 1 bar =. Pa =. kpa =.MPa Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 21

22 2.3 Douche Doelstellingen Begrip dode tijd kunnen verklaren. Het dynamische gedrag van een nulde orde-proces met dode tijd kunnen verduidelijken Gebruikers interface Klep openen/sluiten Temperatuur toevoer instellen Keuze afstand klep tot douchekop Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 22

23 Proces Warm water doen stromen in een douche is een proces. Er wordt water aangevoerd op commando van een bedieningskraan. Gewoonlijk gebeurt dat met een mengkraan. Deze mengt een hoeveelheid warm water met een hoeveelheid koud water. De kraan regelt de verhouding zodanig dat er water van gewenste temperatuur uit de douchekop zal stromen. Maar er is een probleem. Het gemengde water moet nog een weg afleggen vooraleer het vanuit de mengkraan de douchekop bereikt. Je krijgt dus niet onmiddellijk water van de gewenste temperatuur. Het stromen van het water door de leiding duurt een zekere tijd. Deze tijd noemt men dode tijd Instrumenten Digitale thermometers meten de watertemperatuur voor de klep (T 1 ) en de temperatuur van het water aan de douchekop (T 2 ). Je kan met een handbediende klep de toevoer openen of sluiten (in de simulatie door een klik van de linker muistoets op het beeld van de klep). De temperatuur van de toevoer kan je instellen met regelknop T 1. Voor de eerste start van de simulatie of na RESET kan je de klep met de instelling afstand verplaatsen Trend Grootheid Eenheid Kleur Commentaar T1 C blauw watertemperatuur voor klep T2 C rood watertemperatuur douchekop Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 23

24 2.3.3 Vragen en opgaven 1. Stel de watertemperatuur in op een andere temperatuur en open de kraan. Hoe lang duurt het voor het water uit de douchekop dezelfde temperatuur heeft? Voor de kraan in stand 1 :... Voor de kraan in stand 2 :... Voor de kraan in stand 3 : Omschrijf wat je verstaat onder dode tijd Veronderstel dat je zelf onder de douche staat, waarbij je huid als temperatuursensor fungeert, je hersenen als regelaar en je hand de temperatuur van het water instelt. In welke stand van de kraan (1, 2 of 3) zal je het snelst de ideale temperatuur kunnen instellen? Verklaar je antwoord Een proces met dode tijd Is moeilijker regelbaar Is makkelijker regelbaar Is evengoed regelbaar dan/als een proces zonder dode tijd. 5. Het is een proces van de orde, verklaar De dode tijd wordt kleiner als: De afstand klep douchekop kleiner wordt. De temperatuur van het water hoger is. De druk in de toevoerleiding groter wordt (niet simuleerbaar). De diameter van de toevoerleidingen groter wordt (niet simuleerbaar). 7. Geef nog enkele voorbeelden van processen met dode tijd Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 24

25 2.4 Reservoir Doelstellingen Het dynamische gedrag van een integrerend proces verduidelijken. Het verschil tussen een niet-zelfregelend en een zelfregelend proces verklaren. Het principe van een niveaumeting met een verdringer verklaren Gebruikers interface Afvoer openen/sluiten Instellen toevoer Proces Een cilindervormig open reservoir met een hoogte van 1 m en een diameter van 1 m wordt gevuld met een debiet q v1 water. De hoogte van het waterniveau wordt gemeten met behulp van een verdringer. Het reservoir kan men ledigen door middel van een klep die men kan openen of sluiten. Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 25

26 Instrumenten Niveaumeting met verdringer : Deze meting is gebaseerd op de opwaartse kracht van de vloeistof (wet van Archimedes). De verdringer is een holle cilinder die bevestigd is aan een veer. De kracht op de veer hangt af van het vloeistofniveau. Tussen de lengte van de veer en het vloeistofniveau bestaat een lineair verband. De debietmeters meten de in- en uitgaande volumestroom (q v1 en q v2 ) in m³/h. De hoeveelheid toegevoerde vloeistof q v1 wordt ingesteld met een regelknop geijkt in m³/s. Bij een open klep stroomt er q v2 vloeistof door de afvoerleiding. De vloeistofstroom (q v1 ) kan men instellen met de overeenkomstige regelknop. De vloeistofstroom (q v2 ) kan men met een klep afsluiten of openen door een linker muisklik op het beeld van de klep Trend Grootheid Eenheid Kleur Commentaar h m rood hoogte vloeistofniveau tank Vragen en opgaven Uit het niveau volgt het volume of de massa van het gemeten product als volgt: V = ¼. Π. D². h en m = ¼. D². h. ρ warbij V het volume is in m³, D de diameter in m, h de vloeistofhoogte in m, m de massa in kg en ρ de dichtheid in kg/m³. De hydrostatische druk op de bodem van een vat is evenredig met de vloeistofhoogte of p = h. ρ. g + p s waarin p de hydrostatische druk in Pa, h de hoogte van de vloeistof in m, ρ dichtheid van de vloeistof in kg/m³, g de gravitatieconstante (9,81 m/s²) en de statische druk boven de vloeistof in Pa. p s Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 26

27 De hoeveelheid vloeistof q v2 die door de afvoerklep naar buiten stroomt hangt af van het drukverschil p over de klep en de K v factor van de klep. Onder de K v factor verstaan we het aantal m³ water dat bij 2 C per uur door de klep stroomt bij een drukverschil van 1 bar. p q v2 = 1/36.K v ρ m³/s waarbij q v2 p ρ de volumestroom is in m³/s, de drukverschil over de klep in (Pa) en de dichtheid in kg/m³. 1. Stel de ingaande volumestroom q v 1 in op,5 m³/s en sluit de klep in de afvoerleiding. Start de simulatie. De SI-eenheid van volumestroom is m³/s, De debietmeters geven de volumestroom aan in m³/h. Bereken het aantal m³/h dat de debietmeter in de toevoerleiding moet aangeven voor de ingestelde q v 1. q v 1 =... m³/h Wat is de procesgrootheid en de corrigerende grootheid van dit proces?... Reservoir... corrigerende grootheid procesgrootheid Hoe gedraagt het proces zich? Het vloeistofniveau neemt constant toe tot het vat overloopt. Het vloeistofniveau neemt exponentieel toe tot het vat overloopt. Het vloeistofniveau neemt exponentieel toe tot een vaste waarde wordt bereikt. Maak een afdruk van het procesverloop en bepaal hieruit : de tijd nodig om het vat volledig te vullen... (s) de snelheid waarmee het niveau stijgt per seconde :... (m/s) Hoe noem je een proces met dit verloop?... Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 27

28 Verklaar waarom dit proces niet-zelfregelend (of niet-zelfstabiliserend) is De snelheid waarmee het vloeistofniveau stijgt neemt toe als : De toegevoerde volumestroom q v 1 daalt. De toegevoerde volumestroom q v 1 stijgt. De hoogte van het reservoir groter is. De hoogte van het reservoir kleiner is. De doormeter van het reservoir groter is. De doormeter van het reservoir kleiner is. 2. Stel de ingaande volumestroom q v 1 in op,5 m³/s en open de klep in de afvoerleiding. Start de simulatie. Bestudeer het procesverloop. Het vloeistofniveau stijgt niet meer lineair maar exponentieel, verklaar hoe dit komt Bepaal uit het procesverloop de tijdconstante: τ =. [s] Bereikt het vloeistofniveau na 5xτ 1 een stabiel niveau? Het vloeistofniveau blijft stabiel op het ogenblik dat: q v1 = q v2 q v1 >> q v2 q v1 << q v2 1 Vaak ook wel 1x xτ. Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 28

29 3 TRANSMITTER 3.1 Doelstellingen Het begrip transmitter verduidelijken. De werking van een niveaumeting met een drukverschiltransmitter verklaren. Begrijpen hoe een niveau in een drukverschil en een drukverschil in een overeenkomstig standaardsignaal wordt omgezet. 3.2 Gebruikers interface Keuze open/gesloten tank Instellen vloeistofniveau meetbereik afstellen Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 29

30 3.2.1 Proces Voor het meten van het waterniveau in een reservoir van 3 m hoog gebruiken we een drukverschiltransmitter. De transmitter meet met druksensoren het verschil tussen de druk op de bodem en de druk boven de hoogste vloeistof en vormt dit drukverschil om in een standaardsignaal gelegen tussen 4 en 2 ma Instrumenten Met de keuzeschakelaar kies je tussen een gesloten of een open vat. Het drukverschil wordt omgerekend naar een vloeistofniveau en weergegeven op een display. Het niveau in de tank is met de draaiknop niveau regelbaar tussen en 3 m. De manometer geeft de gemeten verschildruk ( p h p l ) weer (p h = hoogste druk, p l = laagste druk). Het uitgangssignaal van de transmitter wordt gemeten met een A-meter. 3.3 Vragen en opgaven 1. Een transmitter bevat een sensor voor het meten van de procesgrootheid en een omvormer voor het omzetten van het gemeten signaal in een standaardsignaal. Welke van volgende standaardsignalen gebruikt men meestal bij elektronische transmitters? 4 2 ma 1 V 2 ma Wat is het meetbereik van de pneumatische transmitter?.. kpa Welk voordeel heeft het gebruik van een standaardsignaal van 4 2 ma i.p.v. 2 ma... Hoe kan je een stroom van 2 ma omvormen in een spanning van 1V? Hoe sluit je volgende instrumenten aan op een transmitter? 4 2mA PV + _ R in R in transmitter regelaar schrijver Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 3

31 2. Zoek de formule die de hoogte h van het vloeistofniveau geeft in functie van het gemeten drukverschil p = (p h - p l ). Gegeven :... Gevraagd :... Oplossing : Kies voor een gesloten tank, stel de transmitter zo af dat je een meetbereik van 3 m bekomt, bestudeer het gemeten drukverschil en neem dan de transmitterkarakteristiek op. I (ma) h (m) p (kpa) I (ma) Bereken de procesversterking van de transmitter: h (m) I K t = = = [ ] h Bij een volle gesloten tank is het drukverschil: Maximaal Minimaal Selecteer een open tank, stel de transmitter zo af dat een meetbereik van 3 m wordt omgezet in een stroom van 4 2 ma, bestudeer het gemeten drukverschil en neem dan de transmitterkarakteristiek op. Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 31

32 I (ma) h (m) p (kpa) I (ma) Bereken de procesversterking : h (m) I K t = = = [ ] h Bij een volle open tank is het drukverschil: Maximaal Minimaal Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 32

33 4 REGELAAR 4.1 Doelstellingen Het open-lus-gedrag van een aan/uit regelaar verklaren. De invloed van de hysteresis bij een aan/uit regelaar verduidelijken. Het open-lus-gedrag van de regelacties P, I en D kunnen onderscheiden. De invloed van de parameters K, t i en t d op het gedrag van de regelaar begrijpen. Het begrip proportionele band verklaren. 4.2 Gebruikers interface Automatische/manueel regelen Digitale display's of instellingen regelaar Storingsgedrag bij verandering van PV : stap of talud Wijzigen waarde van de PV Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 33

34 4.2.1 Proces De regelaar werkt in open lus, er is geen proces en geen terugkoppeling aan verbonden! Je kan de regelaar instellen als AAN/UIT- of PID-regelaar, direct of indirect werkend. Stel je de parameters van een regelaar in, dan kan je de reactie van de stelwaarde (OP) van deze regelaar op een verandering van de gemeten waarde (PV) of van de gewenste waarde (SP) volgen in de trend. PV kan je als stap of talud (helling), SP enkel als stap laten veranderen door de stand van de overeenkomstige draai- of schuifknop te wijzigen Instrumenten Regelaar 1. Keuzeschakelaar MONITOR/SETTING Met de keuzeschakelaar MONITOR/SETTING kies je tussen het weergeven van SP en PV op de digitale display (stand MONITOR) of de instellingen van de gekozen regelaar (SETTING). Stand MONITOR : Met de keuzeschakelaar A/M schakel je van automatisch naar manuele werking Automatisch Manueel Stand SETTING Met keuzeschakelaar TYPE/PARAM kan je in stand TYPE de regelaar kiezen (PID of ON/OFF direct of reverse ) met deze schakelaar in stand PARAM kan je de overeenkomstige parameters van de gekozen regelaar instellen : Stand TYPE PID indirect ON/OFFdirect Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 34

35 Stand PARAM Indien de parameter ingesteld is op dan is de overeenkomstige regelaar uitgeschakeld (is K = dan is de P-regelaar uitgeschakeld, bij t i = is. ). Bij een P of PD-regelaar kan je met de manual reset de bias van de regelaar instellen. Stel je met TYPE een ON/OFF regelaar in dan kan je in stand PARAM de gewenste hysteresis instellen PID ON/OFF 2. Keuzeschakelaar A/M Met de keuzeschakelaar A/M in manueel en in stand SETTING kan je de output van de regelaar met de schuifregelaar "manual OP" met de hand instellen. Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 35

36 Draaiknop PV Met de instelknop PV kan je de gemeten waarde laten variëren. Met de keuzeschakelaar STAP/TALUD kies je voor een stap- of voor een taludvormige variatie van de gemeten waarde. Een taludvormige variatie is lineair toenemen of afnemend Voorstelling procesgegevens De regelaar geeft volgende waarden weer: SP- en PV- waarden worden in % op een digitale display; OP (output) en PV als bargraph Trend Grootheid Eenheid Kleur Commentaar SP % blauw setpoint (gewenste waarde) PV % rood process variable (gemeten waarde) OP % groen output (stelwaarde) Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 36

37 4.3 Vragen en opgaven AAN/UIT regelaar 1. Stel de regelaar als volgt in : Type : ON/OFF, REVERSE SP : 6% Bestudeer hoe de output OP van de regelaar reageert op wijzigingen van de gemeten waarde PV. Doe dit voor verschillende instellingen van de param. HYSTERESIS (bvb. 2, 5, 1). Wat kan je besluiten? De regelaar schakelt uit (OP = %) : Als de procesvariabele toeneemt tot een waarde groter dan SP + hysteresis/2 Als de procesvariabele afneemt tot een waarde kleiner dan SP + hysteresis/2 Als de procesvariabele afneemt tot een waarde kleiner dan SP - hysteresis/2 De regelaar schakelt aan (OP = 1%) : Als de gemeten waarde PV toeneemt tot een waarde groter dan SP + hysteresis/2 Als de gemeten waarde PV afneemt tot een waarde kleiner dan SP + hysteresis/2 Als de gemeten waarde PV afneemt tot een waarde kleiner dan SP - hysteresis/2 Met het instellen van een hysteresis beperkt men de schakelfrequentie van de regelaar voor variaties van de gemeten waarde PV rond de gewenste waarde SP. Waarom mag de hysteresis niet te klein worden gekozen? Verander het type regelaar in ON/OFF, DIRECT en bestudeer de werking van de regelaar. Wat kan je besluiten? Een direct werkende aan/uit regelaar schakelt aan bij : een toenemende gemeten waarde PV een afnemende gemeten waarde PV Een indirect werkende aan/uit regelaar schakelt aan bij een toenemende gemeten waarde PV een afnemende gemeten waarde PV 3. Als je deze regelaar gebruikt voor de temperatuur te regelen van een koelkast dan stel je deze in als: direct werkend indirect werkend want de koelinstallatie moet aanschakelen wanneer de temperatuur : groter wordt dan de gewenste temperatuur kleiner wordt dan de gewenste temperatuur 4. Gebruiken we deze regelaar voor het regelen van de temperatuur in van een oven dan stel je deze in als indirect werkend. Waarom? Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 37

38 5. Stel de parameters van een aan/uit regelaar zo in dat je een direct werkende regelaar met een hysteresis = 6 (%) bekomt. De SP = 5 % Bij welke waarde van PV wordt de output = 1 %? Bij welke waarde van PV wordt de output = %? Neem het verloop van OP in functie van PV op voor toenemende en voor afnemende waarden van PV : OP (%) Duid in de grafiek de hysteresis aan. SP PV (%) Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 38

39 4.3.2 P-regelaar Voor een P-regelaar geldt: OP = K.ε +B waarbij Voor een indirect werkende regelaar de afwijking ε = (SP - PV), Voor een direct werkende regelaar de afwijking ε = (PV - SP), met OP het uitgangssignaal van de regelaar, K de instelbare proportionele versterking en B de bias is, met name het uitgangssignaal van de regelaar bij een afwijking ε =. Jje kan de bias instellen in de stand setting met de schuifregelaar manual output bij manueel regelen of met manual reset bij de P, PD of D regelaar. 1% PB = [%] = proportionele band. K 1. Stel de regelaar in als PID, reverse, met SP=5% en B = 5%. Bestudeer de output van de regelaar voor verschillende waarden van PV en K (Ti =, Td =) : a. K = 1 bereken de proportionele band PB = = [ ] Vul volgende tabel in a.d.h.v. simulaties en bereken het uitgangssignaal van de regelaar in ma : PV [%] ε [%] OP [%] OP [ma] Welke van volgende formules geeft het juiste verband tussen OP in % en OP in ma? OP ma = OP % * [ma] OP ma = OP % *2 [ma] OP ma = OP % *2 + 4 [ma] Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 39

40 b. K =,5 bereken de proportionele band PB = = [ ] Vul volgende tabel in a.d.h.v. de simulatie en bereken het uitgangssignaal van de regelaar in ma : PV % ε % OP % c. K = 2 bereken de proportionele band PB = = [ ] Vul volgende tabel in a.d.h.v. de simulatie en bereken het uitgangssignaal van de regelaar in ma: PV % ε % OP % Wat kan je besluiten? Het uitgangssignaal van de regelaar is evenredig (proportioneel) met De afwijking ε De ingestelde waarde SP De gemeten waarde PV Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 4

41 De proportionele regelaar reageert snel op een verandering van PV met een tijdsvertraging op een verandering van PV Als bij een P-regelaar de gewenste waarde = gemeten waarde dan is de output van de regelaar gelijk aan: % B(ias) 5% Het nadeel van een P-regelaar is dat hij enkel reageert als er een afwijking is (PV SP) er geen afwijking is (PV = SP) Om de output van de regelaar sterk te laten reageren op een afwijking, moet de proportionele versterking K groot zijn klein zijn Tussen welke waarden moet PV variëren om de output van de regelaar over gans zijn bereik ( 1% = 4 2 ma) uit te sturen? Leidt hieruit het gebied af waarin de procesvariabele PV kan worden geregeld : K = 1 (PB = 1 %) regelgebied = -. = [%] K = 2 (PB = 5 %) regelgebied = -. = [%] Als K <1 (PB>1%) dan kan men de regelaar niet meer over zijn gans bereik uitsturen, dit heeft tot gevolg dat het corrigerend orgaan bvb. een klep die op de output van de regelaar wordt aangesloten : Niet tot 1 % geregeld kan worden Niet tot % kan geregeld kan worden Niet over het gans gebied (van 1%) kan geregeld worden. Stel het gedrag van de regelaar voor in een regelkarakteristiek (deze geeft het verband aan tussen de output van de regelaar OP en de gemeten waarde van de procesgrootheid PV) voor de verschillende PB - waarden : OP (%) PV (%) Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 41

42 2. Stel de regelaar als volgt in Type : PID, reverse Param : K = 2 B = 5% SP = 5 PV = 48 Bereken de waarde van de output OP van de regelaar. Controleer je uitkomst met de simulator Wijzig het type regelaar in direct werkend Bereken de waarde van de output OP en controleer je uitkomst met de simulator Als het uitgangssignaal van een regelaar toeneemt als de gemeten waarde toeneemt is deze ingesteld : als direct werkend als indirect werkend Bij een indirect werkende regelaar zal bij een toenemende gemeten waarde het uitgangssignaal toenemen afnemen 3. Wat stel je in met de parameter "Manual Reset"? De stelwaarde OP van de regelaar bij een afwijking ε = De stelwaarde OP voor K = De stelwaarde OP bij een PB = 1% 4. Gegeven : indirect werkende PID - regelaar die als volgt is ingesteld: K = 1 SP = 5 PV = 5 Bereken en simuleer de OP van de regelaar voor een bias van % en 5 %. B = 5 % OP =.. B = % OP =.. Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 42

43 5. Teken de staprespons van de regelaar voor de gegeven stapvormige afwijking en vergelijk je resultaat met deze van de simulatie. Gegeven : P-regelaar, direct, Bias B = 5%, SP = 5 %, PV wijzigt stapvormig van 5 55 % : PV(%) 55 SP = 5 Afwijking ε (%) =? t (s) a. Staprespons K = 1? OP (%) 1 t (s) b. Staprespons K = 1? OP (%) 1 t (s) t (s) Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 43

44 6. Idem als opgave 5 maar voor een regelaar ingesteld als PID, reverse. Vergelijk de resultaten van opgave 5 en 6, waarin verschillen ze? PV(%) 55 SP = 5 Afwijking ε (%) =? t (s) b. Staprespons K = 1? OP (%) 1 t (s) c. Staprespons K = 1? OP (%) 1 t (s) t (s) Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 44

45 7. De instelling van een P-regelaar zijn: type : reverse, met SP = 5 en B = 5. Zoek grafisch het verloop van het uitgangssignaal van de regelaar voor een PV-waarde die taludvormig wijzigt van 1% in 1 sec. Controleer je resultaat met behulp van Actasim. 1 SP = 5 Afwijking ε (%) =? 1 t (s) 5-5 c. Staprespons K = 1? OP (%) 1 t (s) d. Staprespons K = 1? OP (%) 1 t (s) t (s) Verander de instellingen (de bias, gewenste waarde, gemeten waarde, proportionele versterking) en bestudeer het de reactie van de regelaar. Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 45

46 4.3.3 PI-regelaar 1. Gegeven : indirect werkende regelaar. B=5% SP = 5 Ti = 1 s PV = 49 Neem de stapresponsie op voor K = 1 K = 2 K = 1 Druk RESET tussen de verschillende simulatie. 2. Idem voor direct werkende regelaar Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 46

47 5. CORRIGEREND ORGAAN 5.1 Doelstellingen De werking van een regelklep verklaren. Verschil tussen drukopenende en druksluitende klep verduidelijken. Het verband tussen de standaardsignalen aantonen. 5.2 Gebruikers interface Manueel regelen klepopening Type regelklep (na "HALT") Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 47

48 5.2.1 Proces Een regelsignaal van ma (van een regelaar in stand manueel) wordt door een Stoom/drukomvormer omgezet in een overeenkomstige stuurdruk van kpa. Deze stuurdruk bepaald de opening van een drukopenende -of druksluitende regelklep Instrumenten In stand manueel kan je met de schuiver OP de klepopening met de hand regelen. De A-meter meet het ingangssignaal van de omvormer. De p-meter geeft de stuurdruk weer. Het PV-display op de regelaar geeft in % de overeenkomstige volumestroom door de klep aan, bij een constant drukverschil over de klep. 5.3 Vragen en opgaven 1. Bij een drukopenende klep zal bij het wegvallen van de stuurdruk p de veer de klep De klep is: openen. sluiten. veeropenend veersluitend 2. Bij een druksluitende klep zal bij het wegvallen van de stuurdruk p de veer de klep: De klep is: Sluiten. openen. Veeropenend Veersluitend 3. Voor het openen van een drukopenende klep is een druk nodig, men noemt deze klep daarom : ATC (Air To Close) ATO (Air To Open) 4. Voor het sluiten van een druksluitende klep is een druk nodig, men noemt deze klep daarom : ATC (Air To Close) ATO (Air To Open) Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 48

49 5. De klep moet bij het wegvallen van de stuursignalen of hulpenergie (netspanning, pneumatische druk) een veilige stand innemen. De keuze of men een ATO- of ACT-klep gebruikt in een toepassing hangt hiervan af. Het vloeistofniveau van een reservoir wordt geregeld door een regelklep in de toevoerleiding. Welke type klep moet je gebruiken om te vermijden dat het reservoir overloopt bij het wegvallen van de stuursignalen of hulpenergie?.. Ken je een toepassing waar een ATO-klep moet gebruikt worden? Voor het omzetten van het 4 2 ma signaal van de regelaar, in een stuurdruk voor de klep, wordt een I/p-omvormer gebruikt. Neem het verloop van het ingangssignaal (4 2 ma) in functie van het uitgangssignaal (2-1kPa) op en stel deze voor in de grafiek: I (ma) I (ma) P (kpa) P (kpa) Bereken de overdrachtsverhouding (procesversterking) van deze omvormer. K = =.. [ ] Bereken voor een regelsignaal van 16 ma de stuurdruk p.... Bereken voor een uitgangsdruk van 4 kpa de overeenkomstige ingangsstroom I van de omvormer... Werkboek ACTA-SIM Deel1 3 Acad. Bach CE/BC -- Schakel CE pag. 49