TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 12, Decembe r   2014, pp. 81 6 1  ~ 816 5   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i12.63 49          8161     Re cei v ed  Jun e  21, 2014; Revi sed Septe m ber  27, 201 4; Acce pted  Octob e r 16, 2 014   Step Responses of Tuned Conventional Controller for  Three Tank System       Kunal Chakr aborty * 1 , Rahul Dev  Basak 2 , Dipak K u m a r Du tta 1,2 Department of Electrical En gin eeri ng,  IMPS Coll ege of E ngi neer in g & T e chn o lo g y ,   Mald a, W e st Beng al, 73 210 3,  India,  Ph./F ax:  0351 2-2 715 55 /0351 2-2 781 15   3 Departme n t of Computer Sci ence & En gin e e rin g , IMPS Colleg e  of Eng i ne erin g & T e chnolog y,   Mald a, W e st Beng al, 73 210 3,  India,  Ph./F ax:  0351 2-2 715 55 /0351 2-2 781 15   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : kunal ind i a n 0 03@ gmai l.com 1 , rahul19 88.e e . imps@gma il.c o m 2 ddd ipak 76 @g mail.com 3                                                                                              Abstract  In this pa per  mode lin g of a te mp eratur e mea s ur in g tank sys tem h a s be en  don e an d the n   a tune d   PID Co ntroll er  hav e b e e n   us ed for  contr o lli ng th e st e p  re spons es of  the  system. T he  prop osed  syst e m   extends to  a th ree tank syste m  & e a ch ta nk  has sa me a m o unt of li qui d. The res u lt s of c o mputer s i mul a ti o n   for the system  w i th Proportion al, Integral  and  Derivati v e  (PID) Control l ers  are show n h e r e  usin g MATLAB   (R20 07b) softw are.     Ke y w ords tem p eratur e, tanksystem , contr o l,  nonlinear control,  PID controller      Co p y rig h t   ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  The tem p e r at ure  mea s u r e m ent of li qui d in  a ta nk can b e   cont rol l ed by  cla s si cal  and  advan ce  cont rol alg o rithm  PID. Here we are  co nsi d ering  a three  tank n on-i n tera cting  syst em.  We o b serve d  that tank1 a ffects  the  dynamic be havior of tan k 2,  simila rly for t ank2 affect the  dynamic be h a vior [2]  of ta nk3  an d vice  versa,  be ca u s e th e flo w   ra te dep end o n  the  differe n c e   betwe en liqui d levels  h 1 an d h 2 .Thu s a  chang e in the  inlet flow rate  affects the li quid level in t he  tank, which in tern affect s th e tempe r ature of the li quid .  Basically it i s  a the r mal p r ocess. Vari o u type of temperatu r e sensor RT D,  T/C, thermi stor [1], [9-10]. In th at particul a proje c t we u s ed a  mercury the r mometer a s  sensor. Mathe m atical mo de l of three tank method giv e  a third orde r [6  ]equation. Ea ch ta nk give s a  tra n sfe r  f unctio n   of fi rst o r de syst em. A lot of   work ha be en   carrie d out o n  the tempe r ature  control  in term of its stabili zatio n . Many attempts have b een  made to  con t rol the  re sp onse of tem peratu r e  me asu r ing  sy ste m . This met hod i s  utili ze d to  investigate [3 ] global pro p e r ties of the de sign ed contro ller.       2. Mechanic al Cons truc tion  The sy stem  comp ri se s of  a mercu r y-i n -gla ss the r mometer  pla c ed i n  a liqu i d tank to  measure the  temperature  of t he liqui d  whi c h i s  he ated by st ea m throu gh a   coil  system.  The   temperature  of the liquid (T F ) varie s  [5]  with time. T is the tempe r ature of the mercury in th e well  of the therm o meter. T he  followin g  assumption s a r e  made to d e termin e the transfe r fun c tion   relating the v a riation of the  thermomete r (T) fo r chan g e  in the temperatu r e of the  liquid (T F ).   (1)  The exp ansi on o r  contra ction of  t he gla ss  walle d well  contai ning m e rcury  i s   negligibl e  (th a t means the  resi stan ce off e red by gla ss wall for heat  transfe r is n e g ligible (2) T he liquid  film surroun di ng the bulb i s   the only resi stan ce to the heat tran sfer.   (3)  The m e rcury a s sum e s isothermal  con d it ion through out. The  system i s   shown in  Figure 1.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8161 – 81 65   8162                                                              Figure 1. Three tank   s y s t em      3 .   Proposed  Mathema t ic al Model  Applying  unsteady state heat balance  for th bulb,  we  get                                              Input heat rate- Output heat ra te=Rate of heat accumulation.         0                      ( 1 )     Where, A=su rface area of the bulb for he at transfer in  m 2     M=Mass of mercury in the  bulb, kg   C P =Heat cap a city of the mercury in kj/kg-k    U=Film heat transfer co -efficient , kw/m 2   At steady state, the equation (1) can be rewritten as:          0            ( 2 )     Subtracting Equation (2 ) from Equation  (1).                     Defining the deviation variables,        and     and sub s tituting in the   above equation, we get:       =MC P          =               ( 3 )     Defining time  constant   for the Thermom e ter,            Equation (3) can be rewritten as:                     ( 4 )     Taking Lapla c e transform, we get:                    transfer function of Tank 1   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Step Respon se s of Tuned  Con v e n tional  Controlle r Fo r Three T a n k  System  (Kun al Cha k rabo rt y)  8163 Similarly, for  tank2 & tank3 we can get  a firs t order system.  So we can able to  say that  the entire system is a third  order syste m . Here  we can constru c t the overall transfer function o f   the three tank system as:             =               4 .   Transfe r  Function M o deling  As per our problem, let us assume:    =time consta nt for  tank1=0 . 5 miniute      =  time constant for  tank2=1 . 2 minute    =time consta nt for  tank3=1 . 5 miniute   = =0.25 min   = =0.30 min   = 0.35 min       .  . . .     This transfer function is called plant trans f e f u n c t i o n .   The entire experim ental se t up  is given in Fig u re 2.       Figure 2. Pro posed expe ri mental set up       5 .   Closed L oop Tuning  Process   As per o u r p r oblem, applyi ng a clo s e d  loop Tuni ng te chni que  we can write:       1 0   Or,  1 .   . . . Or,   0.9 3 .15 3 . 2 0.0262 0     Now accordin g to Routh Pr ocess:            0.9                                                                                 3.2  3.15                                                                 (1+0.02625 .  .    .  . . 0              So by solving it,    = 3 88 .5 7=      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8161 – 81 65   8164 No w its Auxiliary equatio n:  3.15 +(1 + 0.02 625 )=0   Or, 3.15 +(1 + 0.0262 5*38 8.57)=0   Or,  = -1 1.199 /3.15 = - 3.55 Or,   = -3.556   Or,  = 1.88 41  rad/sec    So,        & = .  . = 3.33 min / cycle       6. Simulink  Design   Here  we  de si gn the  tune controlle r bl o c k with  pla n transfe r fu ncti on, sho w n i n   Figure   3:                                       Figure 3.  Simulink bl ock  diagram       7 .   Differ e nt  Process Per f ormance Ind i ces   Table  1 indi cate  different  perfo rma n ce indi ce s th at we  co nsi der fo r thi s   particula experim ent is defined a s     Table 1. Diffe rent pe rform a nce in dices  Performance In d e xes                 PID                 ISE  1.24               ITSE   0.92                IAE  1.12               ITAE   2.05                                                       8.    Tuning Parameter Ev aluation   Table  2 i s  d e f ined the  different  pa rame ter value  for  desi gning  the  syste m  that  we  ca get from clo s ed loop tuni n g  techni que     Table2.  Tun ed paramete r  value  Sl. no.  K P  K P /T I  K P T D   1 233.142   110.025   136  2 233.142   75  124                                                                            9.    Simulatio n  Resul t   After simul a tion we get th ree  step  re sp onses  fo r diff erent  parame t er & tuning   values.  These step  re spo n ses a r sho w n in Fig u re 4 ( a), Fig u r e 4(b) & Figu re 4(c).       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Step Respon se s of Tuned  Con v e n tional  Controlle r Fo r Three T a n k  System  (Kun al Cha k rabo rt y)  8165       Figure 4(a ) . Step respon se s of plant for  K P =233.1 42, K P /T I =110.02 5, K P T D =136   Figure 4(b ) . Step respon se s of plant for  K P =233.1 42, K P /T I =75,K P T D =124       Figure 4(c). S t ep respon se s of overall sy stem       10.  Conclus i on  Modelin g of t h ree  tan k  te mperature  m easurin syst em  sho w s th at syste m  i s   unsta ble  for  a  certain   rang e. Th at’s why  we t r ied  to de sign  a  convention a l contro lle r strat egy  process so   that we  can  minimize the   steady  state  error &  maxi mize th settl ing time. In  fu ture  we  may  use d   Geneti c  Algorithm for desi g ning some ad vance  control ling strate gy.      Referen ces      [1]  DM Cons idi n e .  Process Ins t ruments an d  Contro l Ha n d  Book. 2 nd   editi on, MCGr a w  Hi ll Bo ok  Comp an y. 19 7 4    [2]  Ang K H , GCY  Cho ng, Y  Li. PI D Co ntrol  S y stem An al ysis,  D e sig n  a nd T e c hno log y IEEE  T r ansactio n on Co ntrol Sys t ems T e ch nol o g y.  2005; 1 3 (4) :  559–5 76.   [3]  Brian R C ope la nd.  T he Desi gn  of PID Controll ers usin g Z i egl er Nich o ls T uni ng . 200 8.   [4]  Ang KH, GCY Cho ng, Y Li. PID Contro l S y st em Anal ys is, Desig n  an d T e chno log y IEEE Trans Contr o System s Tech ,  2005; 1 3  (4): URL:  http://epri n ts.gla.ac.uk/3 817/1/IEEE3.p df  [cited 2007].                                                                            [5]  Li, F eng et a l . PID eas y an Automat ed Ge nerati on of Opt i mal PID Co ntr o llers.  Pro c e edi n g s  from  th 3rd Asia-P acifi c  Confere n ce o f  Control an d Measur e m ent.  Dun hua ng. P.R. Chin a.19 98:   29–33.                                                          [6]  Co, T o mas B. Z i egler Nic hol s Method. Michig an T e chnol ogic a l Un iversi t y  Dep a rtment  of Chemic a l   Engi neer in g W ebsite, UR L:  http:// www.chem.m tu.edu /~tbco/ cm 416/ z n . h tm (cite d  F ebru a r y  3, 2 010).                                               [7]  IJ Nagrath, M Gopla l . Control  S y stems Eng i neer ing fo urth editi on,1 975   [8] Ogata.  Moder n C ontro lEng in e e rin g . F ourthEditio n. 200 6   [9]  JP Bentl y . Pri n ciples  of Meas ureme n t s y ste m s. 3 rd editio n , Lon gman S i ng apor e Pub lish e r  Ltd.1995.   [10]  Bela, G Liptak.  Process Meas ureme n t and A nal ysis. 3 rd  edit i on, Butter w ort h  Hei n man Lt d., 1999.   [11]  La xmi dhar, Bh era, Indran i, Kar. Intellig ent S y stems a nd Co ntrol”, 2nd e d iti on. 201 0.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.