Modelarea si identificarea unei instalatii hidraulice cu...

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


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


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


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

6. Rezultatele simularilor (1)

16/23


17/23


18/23


19/23


20/23


21/23

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

Modelarea si identificarea unei instalatii hidraulice cu...

Documents

Transcript of Modelarea si identificarea unei instalatii hidraulice cu...