Protokoll für das NAWI-Profil. Namen: / Klasse: Datum:

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1 Protokoll für das NAWI-Profil Namen: / Klasse: Datum: Station B6: Messung und Regelung von Temperaturen Aufgabe: Untersuche den grundsätzlichen Unterschied eines P - und eines PI-Reglers hinsichtlich der Stabilität. Vorbetrachtung: 1. Definiere die Begriffe Sollwert und Istwert in der Regelungstechnik. 2. Definiere den Begriff Interface. Informiere dich bei deinem Physiklehrer, welches Interface an deiner Schule verwendet wird und lasse es dir gegebenenfalls zeigen bzw. vorführen. 1

2 3. Ergänze in der Abbildung 1 (siehe unten) die fehlenden Pfeile. Geräte: Abbildung 1: Schematischer Versuchsaufbau mit den Komponenten [1]: - Stabilisiertes Netzgerät +/- 15 V / 3 A (Leybold-Nr ); - Führungsgrößengeber (Leybold-Nr ); - PID-Regler (Leybold-Nr ) mit P-Anteil, getrennt abschaltbarem I- und D-Anteil - Leistungsverstärker (Leybold-Nr ); - Temperaturregelstrecke (Leybold-Nr ); - Profi-Cassy (Leybold-Nr ); - Meßwertanzeige (Leybold-Nr ) zur Anzeige des Sollwertes w; - Brückenstecker mit/ohne Abgriff; Experimentierleitungen - Arbeitsplatz-PC mit Software CASSY Lab zur Darstellung des Istwertes x Abbildung 2: Versuchsaufbau inklusive Verkabelung 2

3 Die Temperaturregelstrecke befindet sich auf dem Board der Leybold Didactic GmbH. Ziel der Experimente ist das Konstanthalten der Temperatur mittels einer Regelung in einem durchsichtigen Luftkanal, deren Sollwert w am Führungsgrößengeber eingestellt wird (1 C = 0,1 V). Für die verschiedenen Reglertypen sollen die charakteristischen Kenngrößen praktisch erprobt werden. Die Messwertaufnahme und Kennlinienauswertung erfolgt mittels PC mit dem Mess-Interface Profi-Cassy und der zugehörigen Software CASSYLab der Fa. Leybold Didactic GmbH. In diesem Versuch wird der analoge Spannungseingang A zur Darstellung des Istwertes x (rote 4-mm-Sicherheitsbuchsen, links) des Profi-Cassy genutzt. Software CASSY Lab Die Software CASSY Lab dient zur Aufnahme und Auswertung der Messdaten. Öffne das Programm CASSY-Lab über das Start-Menü Alle Programme CASSY-Lab. Nun zeigt die CASSY-Seite des Einstellungsfensters (F5) ein Abbild der aktuellen Anordnung. Um eine Messung durchzuführen, muss nur der entsprechende Eingang angeklickt werden. Abbildung 3 Einstellungen zur Festlegung der beschalteten analogen Eingänge Klicke im automatisch erscheinenden Fenster Einstellungen auf die angeschlossene Buchse A (auf Abbild der Hardware klicken) und ordne ihr einen Spannungsbereich von 10 V...10 V zu (bereits voreingestellt). 3

4 Ein aktiver Ein- oder Ausgang (Kanal) wird danach farbig markiert und als Button rechts oben in der Symbolleiste zu den Speed-Buttons des Hauptfensters einsortiert (hier U A1 ). Diese Buttons stellen die einfachste Möglichkeit dar, ein Anzeigeinstrument des Kanals anzuzeigen oder zu schließen (linke Maustaste) oder seine Einstellungen zu verändern (rechte Maustaste). Außerdem erscheint der Kanal anfangs automatisch in der Tabelle (linkes Fenster) und im Diagramm (rechtes Fenster). Abbildung 4 Benutzeroberfläche (hier sind zwei Kanäle ausgewählt) Bei der automatischen Messung entscheidet der Anwender über den exakten Zeitpunkt einer Messwertaufnahme. Bei jedem Start (mit der Tastatur-Taste F9 bzw. dem Uhr-Button) werden bis zum Ablauf der eingegebenen Messzeit Messwerte aufgenommen, d. h. die aktuellen Anzeigewerte der Instrumente in die Tabelle und in das Diagramm eingetragen. Stelle im automatisch erschienenen Fenster Messparameter auf automatische Aufnahme und gib als Messzeit 150 s mit einem Intervall 5 s und einer Anzahl 30 vor. Schließe die Fenster Messparameter und Einstellungen. Zu beiden Messbuchsen sind Spannungsmessanzeigen eingeblendet. Die Aufnahme wird mit einem Klick auf das Uhrsymbol oder Betätigen der Taste F9 gestartet. Durch nochmaliges Betätigen kann die Messung jederzeit gestoppt werden. Die Tabelle kann gegebenenfalls gelöscht werden, in dem man im Tabellenfenster bei Rechtsklick die Option letzte Messreihe löschen wählt. Einstellungen an der aufgezeichneten Kennlinie werden über Rechtsklick auf dem zugehörigen Speed-Button ausgewählt. 4

5 Durchführung und Beobachtung: Für alle folgenden Versuche sind an der Temperaturregelstrecke das Potentiometer des Lüfters auf Markierung 10, die Blende auf Markierung 3 und der Führungsgrößengeber auf 40 C (w = 4 V) eingestellt. 1. Experiment: P-Regler mit K P = 50; Messzeit 150 s, Intervall 5s (30 Messwerte) - Schalte den PID-Regler ( ) auf P-Betrieb (I-Glied u. D-Glied aus). - Stelle den Proportionalbeiwert auf K P = 50 ein. - Schalte das Netzgerät (siehe Abbildung) und die Messung im CASSY-Lab (F9 oder Uhr- Button) gleichzeitig ein. - Notiere dir die Spannungswerte aller 5 Sekunden. - Speichere gegebenenfalls die Kennlinie ab (drittes Symbol links in der Symbolleiste).* - Schalte das Netzgerät aus. 2. Für die Abkühlung der Regelstrecke auf 2,7 V bis 2,9 V (entsprechend Raumtemperatur) bitte den Versuchsbetreuer / die Versuchsbetreuerin ansprechen. 3. Experiment: PI-Regler mit K P = 2 und T n = 2s; Messzeit 150 s, Intervall 5s (30 Messwerte) - Schalte den PID-Regler ( ) auf PI-Betrieb (I-Glied ein, D-Glied aus). Abb. 5 Detailausschnitt PID-Regler (734061) - Stelle den Proportionalbeiwert auf K P = 2 und die Nachstellzeit auf T n = 2 s ein. - Schalte das Netzgerät (siehe Abb.) und die Messung im CASSY-Lab (F9 oder Uhr-Button) gleichzeitig ein. - Notiere dir die Spannungswerte aller 5 Sekunden. 5

6 - Speichere gegebenenfalls die Kennlinie ab.* - Schalte das Netzgerät aus. * Speichere gegebenenfalls die Tabelle als Textdatei vorname_nachname_p bzw. _PI.txt auf dem Desktop ab. Informiere darüber den Versuchsbetreuer / die Versuchsbetreuerin. Messwerttabelle: Zeit [s] Istwert [V] des P-Reglers Istwert [V] des PI-Reglers

7 Auswertung: 1. Zeichne jeweils ein Spannungs-Zeit-Diagramm für den P- und den PI-Regler auf Millimeterpapier. 2. Entscheide, welche der beiden Reglereinstellungen stabil ist und begründe. 3. Gib an, bei welchem der beiden Reglertypen sich kein stationärer Endwert einstellt. 4. Entscheide, welchen der beiden Regler man als Überhitzungsschutz für temperaturempfindliche Bauteile auswählen würde und begründe. Quellenangabe: [1] LD DIDACTIC GmbH 7