I de kommande rubriker ska visas hur varvtalet på likströmsmotorn som driver bagagebandet ändras beroende på regleringsmetoden och hur lång tid det tar för motorsvarvtalet att stabiliserar sig. Begynnelsetillståndet som valts är samma i alla simuleringar, detta för att resultat ska vara jämförbara. Bagagesvikten som betraktas motsvarar en väska på 20 kilo och pålastning av bagage kommer att mättas som en störning efter 10 sekunder i de tre olika simuleringar. Likströmsmotorns blockschema som används som ett subsystem i simuleringar visas i figur 4.1 och motorns parametrar är hämtade från tabellen 1, som också finns i form att av specifikation under bilagor. Simuleringen av dagens läge visas i punkten 4.2 och resultatet ska jämföras med två olika regleringsmetoder. De regleringsmetoder som använts är en PI-reglering och en FLC-reglering. Hur man väljer reglerings parametrar förklarar under kapitel 2. Efter simuleringar ska utvärderas hur varvtalet påverkades och om detta tyder på att bagageförflyttningen kommer att ske på ett rätt sätt.
4.1 Likströmsmotors blockschema
Figur 4.1 visar simulering av en likströmsmotor. Simuleringen är baserad enligt beräkningar under rubriken 2.5 och värdena som används motsvarar motor som driver bandet idag. Värdena hämtades från specifikations tabell som hittas under bilagor 1 och de viktigaste värdena finns på tabell 4:1, sidan XX.
Fördelen av använda Simulink är att modellens värde kan ändras beroende på användarens behov. Detta lämnar en öppen dörr till alla som skulle vilja utveckla eller utforska mer inom ämnet.
30
4.2 Simulering av systemet utan reglering
Modellen simulerar hur likströmsmotorn beter sig i dagens läge. Simuleringen gjordes genom att skicka en impuls som motsvarar bagagevikten i verklighet.
Likströmsmotorn som betraktas i simuleringen uppfyller alla specifikationer på motorn som drivs bagagebandet i dagens läge. Resultatet som visas efter simulering är tiden som det tar innan systemet blir stabilt och når det önskade värdet.
Det är inte bara viktigt att göra systemet stabilare utan att kunna lyckas få denna inom en specifik tid. Enligt IATA (International Air Transport Association), ska en passagerare betjänas inom max. 5 min. 6 Under dessa 5 minuter ska incheckningen göras och bagagetagg printas. På SBD (Self Bag Drop) diskarna ska det ta mindre än 2 min. På egen erfarenhet kan jag säga att en kund med en väska kan betjänas på mindre än 1 min, därför det är en viktig faktor att reglering sker snabbt och ändå erbjuda på stabilitet.
Figur 4.2 Simulering av dagens läge
Syftet med att visa ett öppet system är att få en bild på vad det är som händer när bagaget lastas på bandet. Många elmotorer drivs av konstant spänningen detta gör att motorns varvtal minskar när de blir belastad. Följande figur visar sambandet mellan den yttre belastningen och varvtalet för en standard likströmsmotor. 1
31
Figur 4.3 Förhållandet mellan varvtal och spänning
I det befintliga systemet ändras spänningen manuellt men hjälp av andra verktyg som t.ex. skruvmejsel. Påverkningen av driva bandet med en konstant spänningen är att vid stora laster minskar varvtalet så mycket att bagaget inte förflyttar sig den korrekta sträckan och vid små laster kommer bagaget att upplevas en onödig acceleration. Resultatet av detta fysiska fenomen är att bagaget åker på huvudbandet utan spårning och risken för slitage i motorns delar ökar. Figuren 4.4, visar hur lång tid det tar för varvtalet att stabilisera sig.
32
4.3 Val av regulatorns parametrar
För att simulerar en PI-reglering måste värdena på K och T! bestämmas. Detta görs genom att utvärdera processtegsvar. Eftersom motorn överföringsfunktion har approximerats till en förstaordning med en tidskonstant, som visas i beräkningar under rubriken 2.5, kommer stegsvaret lutning att vara störst i början för att sedan avta till dess att slutnivån uppnåtts. K- värde utläses som slutnivån på stegsvaret medan tidskonstanten utläses som 63% av slutvärdet. Dessa parametrar är grunden till simulering av systemet med en PI-reglering som görs i punkten 4.4.
Parametrarnas värde som kommer att betraktas i systemet med PI-reglering är anpassade till den befintliga motorn, då simuleringar är gjorda för att spegla och utvärdera dagens system påverkas av regleringen.
Enligt tidigare beräkningar blir överföringsfunktion lika med G! s = 1
k! 1
τ! s + 1 Där värdena enligt motorns specifikation blir följande
Tabell 4:1 Motorns konstanter
Konstanter Värde
k! 125 rpm/V L! 0.01 H
J 8.75x10!! kg*m2 R! 2,5 cm
Bilden på mättningen av de mekaniska och de elektriska parametrarna finns under bilagor 2. Figur 4.5 visar stegvaret för processen och de markerade punkter motsvarar tidskonstanten T! värde och förstärkningen K.
33 Figur 4.5 Stegsvaret
Parametrarnas värde sätt nu till:
Förstärkningen K = 160 och tidskonstanten T!= 23 s.
Dessa parametrar ska användas i simuleringen av systemet som återkopplats med en PI-regulator i avsnitten 4.4.
34
4.4 Simulering av systemet med PI-reglering
Efter att har tagit fram förstärkningens- och tidskonstantens värde ska dessa användas för att simulera nu hur varvtalet ändras vid PI-regleringen och hur lång tid det tar för varvtalet att stabilisera sig. Figur 4.6 visar ett blockschema där systemet har nu blivit återkopplat med en PI-regulator.
Figur 4.6 PI-reglering, systemblockschema i Simulink
Resultatet som fås fram är en minskning av tiden som behövs för att stabilisera motorns hastighet. Bagagesvikten betraktas i simuleringen som en störning och motsvarar en väska med 20 kilos vikt. Efter bagaget lastats på bandet tar mindre än två sekunder innan Systemet blir stabil och når den önskade hastigheten.
Figuren 4.6, visar en bild på simulerings blockschema, där de flesta block som användes är kända. I simuleringen har dessutom används två specifika block som kan hjälpa till att simuleringen närmar sig så mycket som det går till verkligheten. Dessa block är H-brygga och en PWM.
35 Figur 4.7 PI-reglerat system
En H-brygga möjliggör att spänningen kan påläggas över en last i olika riktningar, d.v.s. att det ger likströmsmotorn möjlighet att köra framåt eller bakåt. 10
36
Det andra blocket som användes i simulering är en Controlled PWM (Pulse-width modulated). Blocket är ett sätt att skapa en kontinuerligt varierbar effektmatning. Används mycket inom elmotorstyrningen p.g.a. dess låga kostnad och att en PWM är mer energibesparande jämfört med andra metoder. En nackdel med PWM är att vid felaktig konstruktion kan ge upphov till elektromagnetiska störningar. 7
Figur 4.9 PWM block
4.5 Simulering av systemet med FLC
Simuleringen gjordes med hjälp av ett FLC block som finns inbyggd i Simulinks verktygslåda. FLC användes för att jämföra hur systemet reagerar vid olika regleringsform. FLC-reglering är ganska opålitlig och det önskade resultatet kan nås genom att ändra värdena på egen hand, detta gör att regleringen blir tidskrävande och att resultatet inte är baserade på konkreta parametrar.
Ett system som regleras med en FLC-regulator använder sig av ett antal regler och tillhörighetsgrader, detta innebär att samma system kan ha olika parametrar beroende på vilka regler som etablerats och hur tillhörighetsgrader uppdelats.
37 Figur 4.10 FLC simulering i Simulink
Figur 4.11, visar systemets svar enligt de bestämda reglerna och tillhörighetsgrader.
Simulering gjordes på samma sätt som vid PI-reglering, efter 10 sekunder skickades en störning i form av en impuls som motsvarar en väska på 20 kilo. Systemet stabiliserar sig inom två sekunder men svängningar förekommer.
38
4.6 Analys av simuleringars resultat
Bagagebandhastigheten drivs idag av en likströmsmotor som mätts med en konstant spänning. Att motorn mätts med en konstant spänning medför svåra återverkan. Likströmsmotors varvtal påverkas av den pålagda belastningen och följden av detta blir att bagageförflyttningen inte sker på rätt sätt. I kommande stycken analyseras de resultaten som framkommit i simuleringar.
Analys av dagens läge simulering
I dagens läge visade simuleringen hur lång tid det tar för varvtalet att stabiliserar sig (ca 10 sekunder). Bagagesorteringsprocess är inte en självständig process utan den påverkas av externa faktorer och den påverkar andra avdelningar på flygplatsen. Om processens påverkning på den hela enheten analyseras syns att det oreglerade systemet orsakar onödiga driftavbrott, eftersom bagagebandet vid incheckningsdisken överför instabilitet till andra reglerade enheter som t.ex. huvudbandet.
En ökning i energiförbrukning förekommer och olika delar av infrastrukturen måste bitas eller underhållas oftare. När det gäller hur det oreglerade systemet påverkar bagagesortering lyfts fram tre viktigaste punkter:
1. Personalen med tillräckligt erfarenhet och kunskap kan betjäna en passagerare på mindre än 1 min men p.g.a. det oreglerade systemet kan det dröja upp till 3min. En följd av detta speglas i den lägre produktionstakten. Men produktionstakten menas antal bagage som tas emot under en tidsperiod.
2. Varvtalet hinner inte stabiliseras innan ett nytt bagage har blivit pålastat. De elektromekaniska delarna utsätts för onödigt slitage.
3. Den tiden som behovs för att stabilisera varvtalet påverkar mest lättvikt bagage, avläsningen och pålastningen på dessa sker nästa alltid på fel sätt p.g.a. den accelerationen som lättvikt bagage upplever mellan förflyttningen.
De föregående punkterna antyder på att den oreglerade bandhastigheten vid incheckningsdisken påverkar negativ bagagesorteringen.
Analys av PI- och FLC- reglering simuleringar
PI- och FLC-reglering visar att motorsvartalet regleras inom två sekunder beroende på bagagesvikt fast i FLC-reglering förekommer svängningar. I kapitel 6 ska diskuteras vilken regleringen anses vara pålitligt i fallet.
Anledning att det användes en PI-reglering för att reglera bagagebandhastigheten är för att bagagebandet är en elektromekanisk konstruktion vilket är designad för att kunna ta emot stora bagagemängder upp till 90 kilo. Eftersom bagageslastningen inte upplevs av systemet som en stabil process utan som en plötslig ändring kan det förekomma högfrekventa mätstörningar, d.v.s. störningar som uppstår vid mätningen av utsignalen.
39
I dessa fall betraktas givarsignalen som summan av två komponenter, en komponent motsvarar de verkliga variationerna och den andra motsvarar störningar.
Risken att högfrekventa störningar påverkar regleringen på ett felaktigt sätt uppträder då deriverande reglering är inkopplad, detta p.g.a. derivataverkans är stor amplitudförstärkning vid höga frekvenser kommer regulatorn att förstärka dessa störningar kraftigt. Resultatet blir en snabb och svängande styrsignal som medför slitage på de mekaniska och elektriska delarna, samt instabilitet i regleringen.
Problemet kan lösas i olika former med hjälp av t.ex. ett lågpassfilter eller att använda givare och mätvärdeomvandlare som innehåller inbyggda lågpassfilter men detta innebär en kostnadsökning som inte garanterar på en bättre reglering med tanken på att systemet utsätts för mycket kraftiga mätstörningar som förekommer p.g.a. bagagesvikten. 1
FLC-reglering provades för att se skillnaden till de konventionella regleringsmetoderna och utforska möjligheten att styra systemet med hjälp av SCADA. FLC-regleringen är mycket tidskrävande och rekommenderas därför inte i sådana processer där man har få insignaler och en utsignal. Metoden anses inte vara lämpligt för reglering av motorsvartalet, eftersom det inte går att förutsäga hur systems svar kommer att se ut.
40