SIMULATION einer TANKANLAGE

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FBM
FACHGEBIET AUTOMATISIERUNGSTECHNIK
Simulationstechnik
SIMULATION einer TANKANLAGE ©
DTS 200
Q zu,2
Q zu,1
T1
Q 1,3
Q 3,2
T3
Q ab,2
Q ab,3
Q ab,1
H1
T2
H3
H2
Q ab1
U M1
Q zu1
Motor & Pumpe
Tank 1
H1
© Jürgen Rößler
RÖSSLER
Stand: 11/2006
SIM: TANKANLAGE
1
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INHALTSVERZEICHNIS
RÖSSLER
1 EINLEITUNG
3
2 TANKANLAGE
3
3 SIMULATIONSSYSTEM
3
4 AUFGABENSTELLUNG
4.1 Tank 1 ohne/mit Abfluss
4.1.1 Tank 1 mit Speichererweiterung
4.1.2 Tank 1 als Vorspeicher von Tank 3
4.1.3 Zwei-Tank-System T1&T3
3
4
4
5
5
4.2 Tank 2 mit Abfluss
4.2.1 Tank 2 mit Speichererweiterung
4.2.2 Tank 2 als Vorspeicher von Tank 3
4.2.3 Zwei-Tank-System T2&T3
6
6
7
7
4.3 Füllstandsregelung
8
5 DOKUMENTATION
8
6
8
LITERATUR
SIM: TANKANLAGE
2
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1 EINLEITUNG
Die rechnergestützte Simulation von Prozessen, Maschinen und Anlagen wird heute als
ingenieurtypische Aufgabe verstanden und praktiziert. - Die Simulation unterstützt z.B. den
Entwurf, die Dimensionierung, die Funktionskontrolle usw. bis hin zur Inbetriebnahme.
Hier soll das Verhalten einer realen Labor-Tankanlage bei unterschiedlichen Bedingungen
zunächst analysiert werden, um anschließend auf der Basis eines digitalen Modells der Anlage
das Zeitverhalten anhand von Simulationen zu studieren.
Grundlage jeder Simulation ist ein Modell, welches in geeigneter Weise die wesentlichen Eigenschaften und Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge eines (technischen) Systems abbildet. Die
Modellbildung zählt damit als notwendige Voraussetzung zu den ersten Schritten einer
Simulation.
Hier sollen die strukturellen Zusammenhänge und Eigenschaften (Stabilität, Übertragungsverhalten, Eigenverhalten, ...) und die entsprechenden Kennwerte bestimmt und in einem
mathematischen Modell dargestellt werden.
Erste Simulationen auf der Basis des entwickelten Modells sollen (hoffentlich) seine Gültigkeit
durch den qualitativen und quantitativen Vergleich von Mess- und Simulationsergebnissen
bestätigen.
Es folgt im Abschnitt 4.3 der Entwurf eines Regelungssystems mit der Tankanlage als Regelstrecke. Berechnungen und Simulationen sollen Antworten liefern zum typischen Zeitverhalten
der Füllstände (Stabilität, Führungs-/ Störfall) des Regelkreises.
2 TANKANLAGE
Als Tankanlage wir hier das im Versuchsskript RT-A beschriebene Drei-Tank-System DTS 200
verwendet. Alle notwendigen technischen Informationen können dem Skript [1] entnommen
werden. Alternativ untersucht werden das dort unter Abschnitt 2.2 vorgestellte System ohne
Ausgleich (Fall A) und das System mit Ausgleich (Fall B).
3 SIMULATIONSSYSTEM
Zur Simulation des Modell-Zeitverhaltens wird das CAE-Werkzeug WinDORA [4] eingesetzt.
Aufgrund einer Campus-Lizenz liegt bei Herrn Hoffmann (R 1548) eine entsprechende KopierCD bereit. Auf freundliche Anfrage erhalten Sie von Herrn Göhring (R 1548) eine Einweisung.
4 AUFGABE
Die Aufgabe teilt sich in drei Schritte.
- Schritt 1: Studium des Skriptes [1] entsprechend dem dortigen Abschnitt 3.2.1 und
Entwicklung eines Modells des einfachen Tanksystems. Untersuchung des
Systems/Modells per Simulation
- Schritt 2 : Modellbildung und Simulation des erweiterten Tanksystems.
(Vorgabe je Gruppe gemäß Aufgabenverteilung)
- Schritt 3 : Modellbildung und Simulation einer Füllstandsregelung (Abschnitt 4.3)
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4.1 Tank 1 als RS ohne Ausgleich
- Zufluss über Motor & Pumpe (Um1)
- Abfluss Qab1 (Störung)
Für das rechts und im Bild 2.9 in [1] gezeigte
Tanksystem soll das Zeitverhalten des Füllstandes H1(t) in Abhängigkeit von der Motorspannung Um1(t) und des Stör-Abflusses Qab1(t)
bestimmt werden.
Arbeitsschritte:
- Funktionsanalyse
- Blockschaltbildmodell
- Modellgleichung
- Parameterbestimmung
- Simulation unter WinDORA
- Auswertung und Fazit
- Hierzu Studium Abschn. 3.1.1 /3.2.1 in [1]
Bild 4.1 Gerätebild zu Tank 1
4.1.1 Tank 1 mit Speichererweiterung
Für die im Bild 4.2 gezeigte
Erweiterung von Tank 1
durch die Ankopplung eines
weiteren Speichers soll das
Zeitverhalten der Füllstände
H1(t) und H3(t) in Abhängigkeit der Motorspannung
Um1(t) und des StörAbflusses Qab1(t) bestimmt
werden.
Q zu1
Tank 3
Tank 1
H1
H3
C 13
BP: (H1,0 = H3,0 ; Um1,0 ; Qzu1,0 = Qab1,0 ≠ 0)
A1
Q 13
C1
A3
Yab1
Arbeitsschritte siehe 4.1
Qab1
Bild 4.2 Gerätebild zu Tank 1 mit Speichererweiterung
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4.1.2 Tank 1 als Vorspeicher von Tank 3
Für das im Bild 4.3 gezeigte
Tanksystem mit
Vorspeicher soll das
Zeitverhalten der Füllstände
H1(t) und H3(t) in
Abhängigkeit der Motorspannung Um1(t) und des
Stör-Abflusses Qab3(t)
bestimmt werden.
Q zu1
Tank 1
H1
C 13
Q 13
A1
Arbeitsschritte siehe 4.1
Tank 3
H3
C3
Y ab3
A3
BP: (H1,0 ; H3,0 ; Um1,0 ; Qzu1,0 = Qab3,0 ≠ 0)
Q ab3
Bild 4.3 Gerätebild zu Tank 3 mit Vorspeicher
4.1.3
Zwei-Tanksystem T1&T3
Für das im Bild 4.4 gezeigte
Zwei-Tanksystem soll das
Zeitverhalten der Füllstände
H1(t) und H3(t) in Abhängigkeit der Motorspannung Um1(t) und der
Stör-Abflüsse Qab1(t) und
Qab3(t) bestimmt werden.
Q zu1
Tank 1
H1
C 13
A1
Q 13
C1
Arbeitsschritte siehe 4.1
Tank 3
A3
C3
H3
Y Ab3
Y Ab1
BP: (H1,0 ; H3,0 ; Um1,0 ; Qzu1,0 =(Qab1,0 + Qab3,0 ) ≠ 0)
Q ab1
Q ab3
Bild 4.4 Gerätebild zum 2-Tanksystem mit separaten Abflüssen
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4.2 Tank 2 als RS mit Ausgleich
- Zufluss über Motor & Pumpe (Um2)
- Abfluss Qab2 (Störung)
Für das rechts und im Bild 2.14 in [1] gezeigte
Tanksystem soll das Zeitverhalten des Füllstandes H2(t) in Abhängigkeit von der Motorspannung Um2(t) und des Stör-Abflusses Qab2(t)
bestimmt werden.
Arbeitsschritte:
- Funktionsanalyse
- Blockschaltbildmodell
- Modellgleichung
- Parameterbestimmung
- Simulation unter WinDORA
- Auswertung und Fazit
- Hierzu Studium Abschn. 3.1.1 /3.2.1 in [1]
Bild 4.5 Gerätebild zu Tank 2
4.2.1 Tank 2 mit Speichererweiterung
Für die im Bild 4.6 gezeigte
Erweiterung von Tank 2
durch die Ankopplung eines
weiteren Speichers soll das
Zeitverhalten der Füllstände
H2(t) und H3(t) in Abhängigkeit der Motorspannung
Um2(t) und des Stör-Abflusses Qab2(t) bestimmt
werden.
Arbeitsschritte siehe 4.2
Qzu2
H3
Tank 2
H2
Tank 3
A3
C23
C4
Q23
Qab4
C2
A2
BP: (H2,0 ; H3,0 ; Um2,0 ; Qzu2,0 =(Qab2,0 + Qab4,0 ) ≠ 0)
Yab2
Qab2
Bild 4.6 Gerätebild zu Tank 2 mit Speichererweiterung
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4.2.2 Tank 2 als Vorspeicher von Tank 3
Für das im Bild 4.7 gezeigte
Tanksystem mit Vorspeicher soll das Zeitverhalten der Füllstände
H2(t) und H3(t) in Abhängigkeit der Um2(t) und
des Stör-Abflusses Qab3(t)
bestimmt werden.
Qzu2
Tank 2
Tank 3
H3
H2
C23
A3
Arbeitsschritte siehe 4.2
C4
Q23
C3
A2
Qab4
Yab3
BP: (H2,0 ; H3,0 ; Um2,0 ;
Qzu2,0 =(Qab3,0 + Qab4,0 ) ≠ 0)
Qab3
Bild 4.7 Gerätebild zu Tank 2 mit Speichererweiterung
4.2.3 Zwei-Tank-System T2&T3
Für das im Bild 4.8 gezeigte Zwei-Tanksystem soll
das Zeitverhalten der
Füllstände H2(t) und H3(t)
in Abhängigkeit der
Motorspannung Um2(t) und
der Stör-Abflüsse Qab2(t)
und Qab3(t) bestimmt
werden.
Q zu2
Tank3
H3
Arbeitsschritte siehe 4.1
C4
Q 23
C3
A3
Q ab4
C2
A2
Y Ab3
BP: (H2,0 ; H3,0 ; Um2,0 ;
Qzu2,0 =( Qab2,0 + Qab3,0 + Qab4,0 ) ≠ 0)
H2
Tank2
C 23
Q ab3
YAb2
Qab2
Bild 4.8 Gerätebild zum 2-Tanksystem mit separaten Abflüssen
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4.3 Füllstandsregelung
Für das unter 4.2 entwickelte Tanksystem-Modell soll eine Regelung zur Füllstandskontrolle
entworfen und per Simulation getestet werden.
Z Störgröße
SG
Führungsgröße
W
Regelgröße
RS
R
Y
Z
W
MG
RK
RK
Y
Arbeitsschritte:
- RK-Blockschaltbild
- Modellgleichung
- Simulation unter WinDORA
- Auswertung und Fazit
Empfohlen wird eine Vorgehensweise entsprechend den Abschnitten 3.1.2 und 3.2.2 in [1].
5 DOKUMENTATION
Dokumentation der Aufgabe, des Lösungsweges und der Ergebnisse in kurzer, vollständiger,
klarer, verständlicher und mit Freude lesbarer Form!!
6 LITERATUR
[1] Rößler, Göhring Then: Entwurf, Test und Betrieb einer Füllstandsregelung
Laborversuch RT-A, FH Hannover, FB Maschinenbau 04/2005
[2] Rößler,Jürgen
Modellbildung technischer Systeme
FH Hannover, FB Maschinenbau 03/2005
[3] Rößler, Jürgen Regelungstechnik Band 1, Einführung in die Regelungstechnik
Fachhochschule Hannover, FBM, FG Automatisierungstechnik, 2004
[4] Kiendl, H.
DORA für Windows, Version 6.2
Dortmunder Regelungstechnische Anwenderprogramme
Uni Dortmund, Lehrstuhl für Elektrische Steuerung und Regelung, 1998
Ω
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Aufgabenverteilung WS 06/07
Gruppe
Aufg.
4.1
1
x
2
x
Aufg.
4.1.1
Aufg.
4.1.2
Aufg.
4.1.3
x
x
6
x
RÖSSLER
Aufg
4.2.3
x
x
x
1
2
3
4
5
6
Aufg
4.2.2
x
5
Gruppe
Aufg
4.2.1
x
3
4
Aufg.
4.2
Name
.
Küttner, Nau
Fleischer, Brüning
Rossi, Schrecke
Dahle, Agca
Gessler, Hüfler
Stückelmaier, Gast,
Schulz
SIM: TANKANLAGE
x
x
Aufg
4.3
Aufg
5
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
9