Einführung in die Regelungstechnik

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1 Heinz Mann t Horst Schiffelgen Rainer Froriep Einführung in die Regelungstechnik Analoge und digitale Regelung, Fuzzy-Regler, Regler-Realisierung, Software 9. Auflage mit 364 Bildern HANSER

2 Einleitung 1 1 Grundbegriffe Regelung Steuerung Wirkungsplan Wertebereiche und Arbeitspunkt CAE in der Regelungstechnik 14 2 Analoge Übertragungsglieder Lineare zeitinvariante Übertragungsglieder (LZI-Glieder) Wirkungsplan und grafische Simulationsprogramme Mathematische Modellbildung Theoretische Modellbildung Experimentelle Modellbildung (Identifikation) Normierung von mathematischen Modellen Testsignalantworten und zugehörige Kennfunktionen Sprungantwort und Übergangsfunktion Impulsantwort und Gewichtsfunktion Anstiegsantwort und bezogene Anstiegsantwort Frequenzgang Berechnung des Frequenzganges Bode-Diagramm (Frequenzkennlinien), Ortskurve Übertragungsfunktion Übertragungsfunktion und Differentialgleichung Verknüpfung von LZI-Gliedern Übertragungsfunktion und andere Kennfunktionen Pole und Nullstellen (P-7V-Plan) Stabilität Zum Begriff der Stabilität Grundlegendes Stabilitätskriterium für LZI-Glieder Hurwitz-Kriterium Einfache LZI-Glieder P-Glied P-Ti-Glied " P-r 2 -Glied r t -Glied /-, 7-7VGlied D-, D-7VGlied Übersicht 90

3 vin 3 Regelstrecken Stationäres und dynamisches Verhalten von Regelstrecken Regelstrecken ohne Ausgleich Regelstrecken ohne Ausgleich und ohne Verzögerung Regelstrecken ohne Ausgleich mit Verzögerung Regelstrecken mit Ausgleich Regelstrecken mit Ausgleich und ohne Verzögerung Regelstrecken mit Ausgleich und Verzögerang 1. Ordnung Regelstrecken mit Ausgleich und Verzögerung höherer Ordnung Regelbarkeit von Strecken Regelstrecken mit Totzeit Analoge Regeleinrichtungen Einteilung der Regeleinrichtungen Unstetige Regeleinrichtungen Zweipunktregler Regelkreise mit Zweipunktreglern Zweipunktregler an Regelstrecken mit Ausgleich Zweipunktregler an Regelstrecken ohne Ausgleich Zweipunktregler mit Rückführung Dreipunktregler Dreipunktregler mit Transistor-Schaltverstärker Dreipunktregler mit Rückführung Stetige Regeleinrichtungen Proportional wirkende Regler (P-Regler) Integral wirkende Regler (/-Regler) Proportional-integral wirkende Regler (/"/-Regler) Regler mit Vorhalt (PD- und P/D-Regler) Vergleich der stetigen Regler Realisierung stetiger Regeleinrichtungen mittels innerer Rückführung Verstärker mit starrer Rückführung (F-Regler) Verstärker mit nachgebender Rückführung (/- und PZ-Regler) Verstärker mit verzögerter Rückführung (PD-Regler) Verstärker mit verzögerter und nachgebender Rückführung (P/D-Regler) Auswahlgesichtspunkte Analoger Regelkreis Anforderungen an das Führungs- und Störverhalten Standard-Konfigurationen von Strecke und Regler Frequenzgang des offenen Regelkreises Stabilitätsanalyse anhand der Ortskurve Stabilitätsanalyse anhand der Frequenzkennlinien Frequenzkennlinien als Entwurfswerkzeug (FAX-Verfahren)

4 IX 5.4 Wurzelortskurven {WOK-Verfahren) Einstellverfahren Optimierung der Reglerparameter Einstellregeln Vermaschte Regelkreise Regelkreis mit Störgrößenaufschaltung Regelkreis mit Hilfsregelgrößen-Auf Schaltung Unterlagerte Regelkreise (Kaskaden-Regelung) Regelkreis mit Störgrößenregelung Mehrgrößenregelungen Regeleinrichtung mit Strukturamschaltung ( Anfahren" von Regelkreisen) Selbsteinstellende (adaptive) Regelkreise Nichtlineare Regelkreise 212 > 6 Digitale Reglerrealisierung (DDC) Überblick Funktionseinheiten einer digitalen Regeleinrichtung Analog-Digital-Umsetzung Digitaler Regler Digital-Analog-Umsetzung Annahmen beim Berechnungsmodell des digitalen Reglers Digitaler P/D-Regler P-Anteil /-Anteil D-Anteil Stellungs- und Geschwindigkeitsalgorithmus Berechnung weiterer Regelalgorithmen Digitales Berechnungsmodell der Regelstrecke Einführung Digital-Analog-Umsetzung und z-transformation Diskretisierangsverfahren Diskretisierangsbeispiele Strecke mit Ausgleich und Verzögerung 1. Ordnung Strecke mit Ausgleich und Verzögerung 2. Ordnung Strecke ohne Ausgleich und Verzögerung 1. Ordnung Digitale Übertragungsglieder Digitale LZI-Glieder Testsignalantworten und zugehörige Kennfunktionen z-übertragungsfunktion 259

5 X 8.4 Wirkungsplan und grafische Programmierung Stabilität Digitaler Regelkreis Anforderungen an das Führungs- und Störverhalten Zur Wahl der Abtastperiode bei digital realisierten Reglern Einstellverfahren, Einstellregeln Fuzzy-Regler (Fuzzy-Controller) Einordnung Regelbasis, linguistische Größe und Fuzzy-Menge Fuzzy-logische Operationen Informationsverarbeitung im Fuzzy-Regler Fuzzifizierung der Regeldifferenz Bestimmung des Erfüllungsgrades jeder Regel Ermittlung der Stellgrößen-Fuzzy-Menge jeder Regel Bestimmung der resultierenden Stellgrößen-Fuzzy-Menge Defuzzifizierung der Stellgröße Kennlinien von Fuzzy-Reglern Fuzzy-P/D-Regler Regelungstechnische Baueinheiten Meß-und Übertragungseinrichtungen Sensoren Umformer, Wandler Signalübertragung Verstärker und analoge Regler Elektrische Verstärker und Regler Elektrische Verstärker Elektrische Regler Rechenglieder Pneumatische Verstärker und Regler Pneumatische Verstärker Pneumatische Regler Hydraulische Verstärker und Regler Hydraulische Verstärker Hydraulische Regler Einrichtungen zur direkten digitalen Regelung (DDC) Analog-Digital-Umsetzer (ADU) Prozeßrechner Hardware Software, Programmierung 346

6 XI Digital-Analog-Umsetzer (DAU) Schnelles Regler-Prototyping Stellglieder und Stellantriebe Stellglieder Elektrische Stellglieder Stellventile Drosselklappen Stellantriebe Elektrische Stellmotoren Pneumatische Stellmotoren Hydraulische Stellmotoren Kombinierte Stellmotoren Weitere Beispiele technischer Regelungen Durchflußregelung mit einem thyristorgesteuerten Motorventil Wasserstandsregelung in einem Trommelkessel Digitale Drehzahlverhältnis-Regelung DDC-Antriebsregelung Adaptive DDC-Antriebsregelung 377 Anhang A.l Regelungstechnische CAE-Programme 379 A.2 Anwendungen der komplexen Rechnung 381 A.3 Anwendungen der Laplace-Transformation 384 A.4 Anwendungen der z-transformation 392 A.5 Skizzieren von Frequenzkennlinien (Bode-Diagramm) 400 Ergänzende und weiterführende Literatur 407 Normen, Richtlinien 410 Formelzeichen 412 Glossar 416 Sachverzeichnis 421