RT-E: Entwurf der Drehzahlregelung eines Gebläsemotors

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1 RT-E: Entwurf der Drehzahlregelung eines Gebläsemotors Quelle: Wellringrad.jpg&filetimestamp= (Stand: ) Martin Grotjahn / Jürgen Rößler / Wolfgang Then / Peter Hoffmann Stand: 10/2013 GROTJAHN/RÖSSLER Entwurf der Drehzahlregelung eines Gebläsemotors 1

2 Inhalt 1 Einleitung Untersuchung der Regelstrecke Reglerentwurf Dokumentation Literatur Anhang...7 GROTJAHN/RÖSSLER Entwurf der Drehzahlregelung eines Gebläsemotors 2

3 1 EINLEITUNG Dieser Einführungsversuch zum Regelungstechniklabor soll die Grundlagen aus der Vorlesung Regelungstechnik I durch praktische Anwendung vertiefen. Außerdem dient der Versuch der Einführung in das Programmpaket WINFACT-BORIS [1] und der selbstständigen Anwendung desselben. Der Versuch sollte komplett im Voraus zuhause durchgeführt werden. Dabei ist jedes erstellte Blockschaltbild separat abzuspeichern, um eine Präsentation der Resultate zu ermöglichen. Bei Problemen wenden Sie sich bitte an die Autoren bzw. die Betreuer im RT- Labor. Am Versuchstag erfolgen die Vorstellung des Lösungsentwurfes und der Resultate sowie die Diskussion mit dem Laborbetreuer. Im Anschluss ist ein Bericht zu verfassen. Als Voraussetzung für die Durchführung des Versuchs wird eine Version des Programmpakets WINFACT-BORIS [1] benötigt sowie die SBL-Datei ( Superblock ) Gebläse.SBL, die einen gekapselten Simulationsblock des (noch) unbekannten Systems Gebläse enthält. Dieses Versuchsskript, das Programmpaket und der Superblock können über das HsH-Intranet, Fachgebiet Automatisierungstechnik, heruntergeladen werden. Der Import der SBL-Datei in ein Blockschaltbild erfolgt unter BORIS über den Reiter Super, der es ermöglicht einen Superblock einzufügen. Dazu muss dem Block die zur Verfügung gestellte Datei zugewiesen werden. 2 UNTERSUCHUNG DER REGELSTRECKE Der Simulationsblock Gebläse.SBL repräsentiert ein System, welches das Verhalten eines Gebläsemotors mit der Motorspannung U(t) als Eingang und der Motordrehzahl n(t) als Ausgang abbildet. 2.1 Zunächst soll das statische Verhalten des Systems untersucht werden: Fügen Sie den Superblock Gebläse.SBL unter BORIS in ein neues Blockschaltbild ein. Erweitern Sie den System-Superblock um einen GENERATOR am Eingang, mit dem konstante Stellgrößen U einstellbar sind. Fügen Sie zwei MULTIPLOT-Blöcke ein und verbinden diese mit dem GENERATOR-Ausgang bzw. mit dem Systemausgang (s. Anhang 1). Nehmen Sie die statische Kennlinie n = f(u) bestehend aus mind. acht Punkten im Bereich U = 0 10 V auf! Machen Sie Angaben zum Systemverhalten (Stabilität, Linearität, )! GROTJAHN/RÖSSLER Entwurf der Drehzahlregelung eines Gebläsemotors 3

4 2.2 Im Weiteren soll das System in der Umgebung eines Arbeitspunktes (U 0, n 0 ) mit n 0 = 1500 U/min untersucht werden. Welche Stellgröße U 0 ist für die Einstellung dieses Arbeitspunktes erforderlich? Erweitern Sie das Blockschaltbild so, dass am Systemeingang die Stellgröße U = U 0 + u als Überlagerung der Arbeitspunktspannung U 0 und der dazu relativen Änderung u bestimmt wird und am Systemausgang die relative Drehzahländerung n = n n 0 direkt gemessen werden kann. (siehe Abbildung 1). Ersetzen Sie die beiden MULTIPLOT-Blöcke durch ZEITVERLAUF-Blöcke und fügen eine DIGITALANZEIGE für das Drehzahlsignal n hinzu (s. Anhang 2). Abbildung 1: Blockschaltbild zur Messung von Sprungantworten an einem Arbeitspunkt (U 0, n 0 ) Testen Sie Ihren Aufbau anhand einer beliebigen Sprungantwort, die nicht weiter dokumentiert wird. 2.3 Im Folgenden soll für das System im genannten Arbeitspunkt experimentell eine lineare Modellbildung durchgeführt werden: Nehmen Sie Sprungantworten für vier Eingangssprünge von u = ±1 V und ±2 V auf und bestimmen Sie jeweils das linear angenommene Übertragungsverhalten des Systems inkl. Angabe der numerischen Parameter. Tragen Sie die Ergebnisse in einer Tabelle auf! Begründen Sie die Differenzen, die sich zwischen den numerischen Werten der Parameter für die unterschiedlichen Messungen ergeben! Legen Sie anhand der Ergebnisse ein lineares Übertragungsmodell für das System fest. Erweitern Sie das Blockschaltbild aus Abschnitt 2.2 um das System-Modell und verifizieren Sie das Modell anhand des Vergleichs von Sprungantworten von System und System-Modell (s. Anhang 3). GROTJAHN/RÖSSLER Entwurf der Drehzahlregelung eines Gebläsemotors 4

5 3 REGLERENTWURF Es soll ein Reglerentwurf für den Führungsfall durchgeführt werden, für den die folgenden Anforderungen gelten: keine bleibende Regelabweichung und kurze Ausregelzeit. 3.1 Zunächst erfolgt der Reglerentwurf anhand des oben entwickelten System-Modells: Wählen Sie einen möglichst einfachen Regler aus, mit dem die oben genannten Anforderungen erfüllt werden können. Entwickeln Sie unter BORIS einen Regelkreis mit dem oben bestimmtem System-Modell und diesem Regler (s. Abbildung 2 und Anhang 4). Es soll ausschließlich der Führungsfall betrachtet werden. Abbildung 2: Blockschaltbild zur Regelung des System-Modells Optimieren Sie die Parameter der Regelung hinsichtlich der Ausregelzeit (Toleranzband e Tol = 2 U/min) jeweils für Führungsgrößensprünge von n soll = ±200 U/min. Die Änderungen der Stellgröße gegenüber der Arbeitspunktspannung U 0 sollen innerhalb des Fensters u max = ±4 V bleiben. Der Überschwinger der Regelgröße darf ggf. einen Betrag von e max = 10 U/min nicht überschreiten. GROTJAHN/RÖSSLER Entwurf der Drehzahlregelung eines Gebläsemotors 5

6 3.2 Der Regelungsentwurf soll auf das reale System im oben genannten Arbeitspunkt übertragen werden: Erweitern Sie das unter 3.1. erstellte Blockschaltbild um einen Regelkreis bestehend aus dem System im oben genannten Arbeitspunkt und dem unter 3.1 entwickelten Regler. (siehe Abbildung 3). Abbildung 3: Blockschaltbild zur Verifikation des Reglerentwurfes Verifizieren Sie den Reglerentwurf für Führungsgrößensprünge von n = ±200 U/min. Vergleichen Sie die Sprungantworten des geregelten Systems und des geregelten System-Modells. Können die oben genannten Anforderungen hinsichtlich bleibender Regelabweichung, Stellgrößenbegrenzung und maximalem Überschwinger auch für das System eingehalten werden? Falls nicht, optimieren Sie die Reglerparameter. 4 DOKUMENTATION Dokumentation der Versuchsvorbereitung und -durchführung in einem kurzen (< 10 S.), vollständigen und präsentablen Bericht, der mit Eigenständigkeitserklärung zwei Wochen nach dem Labortermin beim Betreuer abzugeben ist. 5 LITERATUR [1] Ingenieurbüro Dr. Kahlert, Hamm 1991, 2001 Version [2] Grotjahn, Martin, Skript Regelungstechnik, HS Hannover, FG Mechatronik [3] Rössler, Jürgen, Skript Regelungstechnik 1, HS Hannover, FG Automatisierungstechnik GROTJAHN/RÖSSLER Entwurf der Drehzahlregelung eines Gebläsemotors 6

7 6 ANHANG Anhang 1 Beispiel zu Abschnitt 2.1 Simulations-Parameter: Simulationsdauer: 10 s Schrittweite: 0.01 s U n GROTJAHN/RÖSSLER Entwurf der Drehzahlregelung eines Gebläsemotors 7

8 Anhang 2 Beispiel zu Abschnitt 2.2 Simulations-Parameter: Simulationsdauer: 20 s Schrittweite: 0.01 s u U n U 0 n 0 n ZEITVERLAUF skalieren über Einstellungen manuell Eingang1: ymin = 0 ymax =500 Zeitachse: tmin = 0.8 tmax = 3.5 GROTJAHN/RÖSSLER Entwurf der Drehzahlregelung eines Gebläsemotors 8

9 Anhang 3 Beispiel zu Abschnitt 3.1 Simulations-Parameter: Simulationsdauer: 20 s Schrittweite: 0.01 s n Modell u U n n System u n System n Modell GROTJAHN/RÖSSLER Entwurf der Drehzahlregelung eines Gebläsemotors 9

10 Anhang 4 Beispiel zu Aufgabenteil 3.1 ACHTUNG: Regler und System-Modell sind nur Beispiele. Es müssen das System-Modell aus Abschnitt 2.3 und der unter 3.1 zu entwerfende Regler eingebaut werden! Simulations-Parameter: Simulationsdauer: sinnvoll auswählen! (hier 4 s) Schrittweite: 0.01 s n soll e u n Modell Mit Hilfe des Buttons Meßmodus ein/aus werden zwei verschiebbare Lineale eingeblendet, mit denen die Werte zu bestimmten Zeitpunkten im nebenstehenden Fenster Messung abgelesen werden können. n soll n Modell Mit dem Menüpunkt Messung Toleranzband.. sind Toleranzbänder gemäß den Vorgaben für e max zu erstellen. GROTJAHN/RÖSSLER Entwurf der Drehzahlregelung eines Gebläsemotors 10