Wolfgang Schneider. Regelungstechnik für Maschinenbauer

Transkript

1 Wolfgang Schneider Regelungstechnik für Maschinenbauer

2 Aus dem Programm -... Steuerungs- und Regelungstechnik Regelungstechnik Regelungstechnik für Ingenieure von M. Reuter Einführung in die Regelungstechnik von w. Leonhard Aufgabensammlung zur Regelungstechnik von W. Leonhard und E. Schnieder Simulation von Regelkreisen von P. Orlowski Regelungstechnik für Maschinenbauer von W. Schneider Steuerungstechnik Steuerungstechnik mit SPS von G. Wellenreuther und D. Zastrow Speicherprogrammierte Steuerungen SPS von G. Wellenreuther und D. Zastrow Lösungsbuch Speicherprogrammierte Steuerungen SPS von G. Wellenreuther und D. Zastrow Elektropneumatische und Elektrohydraulische Steuerungen von E. Herion und E. Kauffmann Hydraulische Steuerungen von E. Kauffmann Vieweg ~

3 Wolfgang Schneider Regelungstechnik für Maschinenbauer 2., verbesserte Aufgaben Mit 350 Bildern, 47 Beispielen und 20 Aufgaben IJ Vleweg

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Schneider, Wolfgang: Regelungstechnik für Maschinenbauer: 47 Beispiele und 20 Aufgaben 1 Wolfgang Schneider. - 2., verb. Auf!. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1994 (Viewegs Fachbücher der Technik) ISBN DOI / ISBN (ebook) 1. Auflage , verbesserte Auflage 1994 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden, 1994 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International. Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf deshalb der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Umschlaggestaltung: Klaus Birk, Wiesbaden Satz: Vieweg, Braunschweig Gedruckt auf säurefreiem Papier

5 v Vorwort Es gibt viele Fachbücher auf dem Gebiet der Regelungstechnik. Die meisten Bücher werden von Spezialisten für Spezialisten geschrieben. Auf die vielen Ingenieure, die sich erst langsam in dieses für sie neue Gebiet eindenken müssen, wird wenig Rücksicht genommen. Dieses Buch soll den Anfänger an die Denkweise des Regelungstechnikers heranführen, ohne ihn zum Regelungstechniker zu machen. Wirkliches Verständnis gewinnt man erst, wenn die Signale wieder auf Kilogramm, Meter und Sekunde zurückgeführt werden. Es wurde großen Wert auf die Zahlenrechnung und Dimensionsbetrachtung gelegt. Zu jedem Buch gehört eine logische Gliederung. So wurde hier aus didaktischen Gründen ein fachlich zusammenhängendes Kapitel auch mal in mehrere Abschnitte aufgeteilt. Dies nennt man dann "freßbare Happen". Zum Inhalt: Der Teil I beschäftigt sich vor allem mit den Grundbegriffen und den Benennungen. Teil // soll dem Leser das Rüstzeug geben, um Regelsysteme zu beschreiben. Die in den mathematischen Formeln enthaltenen Kennwerte können aus physikalischen Grundgesetzen bestimmt werden. Meist ist das System jedoch zu komplex, um in der zur Verfügung stehenden Zeit ein befriedigendes Ergebnis zu finden. Teil//I konzentriert sich deshalb auf die meßtechnische Analyse der Kennwerte, die in den mathematischen Gleichungen des Teils 11 auftreten. Erst in Teil IV wird der Regelkreis geschlossen. Neben mathematischen Verfahren, die auf ein gutes Verständnis des Zeitverhaltens im Kreis abzielen, werden einfache Einstellrichtlinien für Regler vorgegeben. Die Einführung der Laplace-Transformation soll diese Methode nicht umfassend erläutern, sondern vielmehr den Geschmack an weiterführenden Büchern des gleichen Verlags wecken. In der 2. Auflage wurden einige Druckfehler und logische Fehler verbessert, die sich in die Übungsaufgaben eingeschlichen hatten. Nürnberg, im Juli 1994 Walfgang Schneider

6 VI Inhaltsverzeichnis I Einleitung Grundbegriffe der Automatisierung Der Systembegriff Grundfunktionen der Automatisierung Steuerung Regelung Beispiele für Regelungen und Steuerungen Der Arbeitspunkt Einteilung und Kennzeichnung von Regelkreisgliedern Zusammenstellung einiger regelungstechnischer Begriffe Modellbildung Ablauf der Modellbildung Modellarten Beispiele für Prozeßmodelle Klassifizierung von Modellen Systemaufgaben Analyse Entwurf n Darstellungsmethoden von Systemen Beschreibungsformen des Zeitverhaltens Beschreibungsformen von Signalen Zeitbereich Frequenzbereich Digitale Signale Stochastische Signale Beschreibungsformen von Prozessen im Zeitbereich Differentialgleichung...: Proportionales Zeitverhalten Integrierendes Zeitverhalten Differenzierendes Zeitverhalten Antwortfunktionen Sprungantwort Impulsantwort... 75

7 Inhaltverzeichnis VII 5.3 Anstiegsantwort Antwortfunktionen für elementare Zeitverhalten P-Verhalten I-Verhalten D-Verhalten Strukturen von Systemen Elemente des Wirkschaltplans Block Wirkungs linie Zusammenfassungsstelle Verzweigungsstelle Multiplikationsstelle Linearisierung Zusammengesetzte Zeitverhalten Kreisschaltung Reihenschaltung Parallelschaltung Schwingungsfähiges System Graphische Beschreibung von Prozessen Planung von Meß-, Steuerungs- und Regelungsanlagen Gerätefließbilder Wirkschaltpläne TII Meßtechnische Ermittlung von Kennwerten Übersicht über Regelstrecken Statisches Verhalten von Regelstrecken Kennlinien von verzögerungsarmen Regelstrecken Stelltechnik Stell antrieb Ventilkennlinie Öffnungskennlinie ky-kennlinie Betriebskennlinie Dynamisches Verhalten von P-TrStrecken Regelstrecken mit Totzeit Kennwerte der P-T1-Strecke Ermittlung des Proportionalbeiwertes K pse Ermittlung der Zeitkonstanten P-T1-Strecken mit Totzeit

8 VIII Inhaltsverzeichnis 11 Ersatz Kennwerte für proportionale Strecken höherer Ordnung Zeitkonstantensumme Wendetangenten-Verfahren Modelle mit ungleichen Zeitkonstanten Zeitprozentkennwert-Methode Modell 2. Ordnung Numerische Modellbildung für Strecken höherer Ordnung Kennwerte für P Strecken mit schwingungsfähigen Gliedern Modell als reines Schwingungsglied Modell mit Schwingungsglied und Verzögerungsglied Dynamisches Verhalten von Strecken ohne Ausgleich Verzögerungsarme Strecken Regelstrecken ohne Ausgleich mit Verzögerung Kennwertermittlung im Frequenzbereich Einführung des Frequenzgangs Komplexe Zahlenebene Komplexe Darstellung einer zeitveränderlichen Größe Graphische Darstellung von Frequenzgängen Meßtechnische Ermittlung des Frequenzgangs Darstellung des Frequenzgangs im Bode-Diagramm Struktur- und Kennwertermittlung aus dem Bode-Diagramm Grundzeitverhalten im Bode-Diagramm P-T1-Verhalten im Bode-Diagramm Reihenschaltung im Bode-Diagramm Parallelschaltung Kreisschaltung Schwingungsverhalten IV Auswahl und Anpassung von Regeleinrichtungen l5 Analoge Regeleinrichtungen Stetige Regler mit Grundverhalten P-Regler I-Regler Stetige Regler mit zusammengesetzten Zeitverhalten PI-Regler PD-Regler PID-Regler l6 Digitale Algorithmen Kopplung der Regelstrecke mit dem digitalen Regler Abtastung

9 Inhaltsverzeichnis IX 16.3 Analog-Digital-Umsetzer (ADU) Kennlininenanpassung, Skalierung Regelalgorithmus P-Algorithmus I-Algorithmus D-Algorithmus Stellungs algorithmus Geschwindigkeitsalgorithmus Zeitverhalten von einschleifigen Regelkreisen Aufstellen und Auswerten der Regelkreisgleichung Schema zur Aufstellung der Differentialgleichung Auswertung der Differentialgleichung Der Regelfaktor P-Strecke mit P-Regler P-TI-Strecke mit P-Regler P-TI-Strecke mit PI-Regler I-Strecke mit I-Regler I-TI-Strecke mit P-Regler Zeitverhalten des geschlossenen Regelkreises mit Hilfe der Laplace-Transformation Zusammensetzungsregeln Rücktransformation Lösung für eine P-TI-Strecke Sprungantwort einer P-TI-Strecke Anstiegsantwort einer P-TI-Strecke Sprungantwort einer P-Tz-Strecke Sprungantworten des Regelkreises Zeitverhalten der Regelgröße, Störverhalten Zeitverhalten der Regelgröße, Führungsverhalten Entwurf von Regelkreisen nach empirischen Einstellregeln Stabilität Dauerschwingungsversuch Einstellwerte aus der Sprungantwort Gütemaß Toleranzband Gütemaß im Zeitbereich Integralkriterien Einstellregeln im Bode-Diagramm Stabilitätsrand Einstellregeln

10 x Inhaltsverzeichnis 20.3 Beispiele für einfache Systeme im Bode-Diagramm P-T1-Strecke mit P-Regler P-TrStrecke mit PI-Regler P-TrStrecke mit PD-Regler P-TTStrecke mit P-Regler P-T 2s -Strecke mit PI-Regler Tz-Strecke mit PD-Regler V Anhang Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis