Universität Stuttgart Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. P. Göhner

Transkript

1 Universität Stuttgart Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. P. Göhner PRÜFUNG AUTOMATISIERUNGSTECHNIK II SS 20 Name: Matrikelnummer: Note: Prüfungstag: Prüfungsdauer: 20 Minuten Prüfungsumfang: 4 Aufgaben (7 Seiten) Hilfsmittel: alle, außer programmierbare elektronische Hilfsmittel und Kommunikationsgeräte Hinweise:.) Verlangt sind alle Aufgaben. 2.) Bitte verwenden Sie keinen Rotstift / Bleistift. 3.) Bitte tragen Sie in den Kasten Ihren Namen und Ihre Matrikelnummer ein. 4.) Verwenden Sie für jede Teilaufgabe ein separates Lösungsblatt. 5.) Geben Sie dieses Deckblatt zusammen mit Ihren Lösungsblättern ab. 6.) Schreiben Sie auf alle Lösungsblätter unbedingt Ihren Namen und Matrikelnummer. MUSTERLÖSUNG Nicht vom Studierenden auszufüllen

2 Prüfung Automatisierungstechnik II, SS (Musterlösung) Seite 2 Aufgabe : Fuzzy-Control (35 min) Frage.: Linguistische Variablen und Terme Eingangsgröße Wertebereich Linguistische Terme Kameraposition (Soll Ist) m Zu weit rechts, richtig, zu weit links Geschwindigkeit -30 bis +30 m/s negativ, null, positiv Ausgangsgröße Wertebereich Linguistische Terme Beschleunigung -00% +00% links, null, rechts Frage.2: Zugehörigkeitsfunktionen

3 Prüfung Automatisierungstechnik II, SS (Musterlösung) Seite 3 Frage.3: Regelwerk Regel WENN Kameraposition zu weit rechts UND Geschwindigkeit negativ DANN Beschleunigung links Regel 2 WENN Kameraposition zu weit rechts UND Geschwindigkeit null DANN Beschleunigung links Regel 3 WENN Kameraposition zu weit rechts UND Geschwindigkeit positiv DANN Beschleunigung links Regel 4 WENN Kameraposition richtig UND Geschwindigkeit negativ DANN Beschleunigung rechts Regel 5 WENN Kameraposition richtig UND Geschwindigkeit null DANN Beschleunigung null Regel 6 WENN Kameraposition richtig UND Geschwindigkeit positiv DANN Beschleunigung links Regel 7 WENN Kameraposition zu weit links UND Geschwindigkeit negativ DANN Beschleunigung rechts Regel 8 WENN Kameraposition zu weit links UND Geschwindigkeit null DANN Beschleunigung rechts Regel 9 WENN Kameraposition zu weit links UND Geschwindigkeit positiv DANN Beschleunigung rechts Frage.4: Zugehörigkeits- und Erfüllungsgrade und Fuzzy-Implikation Zugehörigkeitsgrade μ KRe (-20 m) = 0,6 μ KRi (-20 m) = 0,4 μ KLi (-20 m) = 0,0 μ GNe (6 m/s) = 0,0 μ GNu (6 m/s) = 0,8 μ GPo (6 m/s) = 0,2 Erfüllungsgrade H = MIN (0,6 ; 0,0) = 0,0 H 2 = MIN (0,6 ; 0,8) = 0,6 H 3 = MIN (0,6 ; 0,2) = 0,2 H 4 = MIN (0,4 ; 0,0) = 0,0 H 5 = MIN (0,4 ; 0,8) = 0,4 H 6 = MIN (0,4 ; 0,2) = 0,2 H 7 = MIN (0,0 ; 0,0) = 0,0 H 8 = MIN (0,0 ; 0,8) = 0,0 H 9 = MIN (0,0 ; 0,2) = 0,0

4 Prüfung Automatisierungstechnik II, SS (Musterlösung) Seite 4 Frage.5: Fuzzy-Konklusion μ BLi = MAX ( 0,0 ; 0,6 ; 0,2 ; 0,2) = 0,6 μ BNu = MAX ( 0,4 ) = 0,4 μ BRe = MAX ( 0,2 ; 0 ; 0 ; 0 ) = 0,0 Frage.6: Defuzzyfizierung A = 04, x A = -50% A2 = 20, x A2 = -00% Schwerpunkt mit Formel aus der Vorlesung: -58%. Frage.7: Einsatz des Reglers Bei kleinen Positionsabweichungen reagiert der Regler sehr träge. Schmälere / steilere Kurven helfen dabei, auch bei kleinen Positionsabweichungen schnelle Bewegungen sicherzustellen.

5 Prüfung Automatisierungstechnik II, SS (Musterlösung) Seite 5 Aufgabe 2: Steuerungstechnik (40 min) Frage 2.: Modellierung der Signalleuchten Frage 2.2: Modellierung des Garagentorsystems Eingangsgrößen: Funk Schnur Lichtschranke [unterbrochen, nicht unterbrochen] Timer30s EO [, 0] EU [, 0] Ausgangsgrößen: M [hoch, aus, runter] S [aus, blinken, an] Timer [aus, an] Wird von einem Handsender einmalig zum Öffnen des Tores ausgesendet. Wird vom Schnurschalter einmalig zum Öffnen ausgelöst. Signal der Lichtschranke Signal eines Timers, das alle 30 Sekunden ausgelöst wird, solange der Timer aktiv ist. Endschalter Garagentor oben, wenn Schranke vollständig geöffnet Endschalter Garagentor unten, wenn Schranke vollständig geschlossen Ansteuerung des Motors. Ansteuerung der Signalleuchten. Ansteuerung des Timers, der alle 30 Sekunden ein Signal generiert (Zeit startet direkt beim Anschalten mit 0 Sekunden).

6 Prüfung Automatisierungstechnik II, SS (Musterlösung) Seite 6 Frage 2.3: Netzstrukturen Verzweigungen: S5 Begegnungen: S5 Aufspaltungen: keine Synchronisierungen: keine Alternativen: Nebenläufigkeiten: ja, durch Verzweigungen und Begegnungen nein, wegen fehlender Aufspaltungen und Synchronisierungen

7 Prüfung Automatisierungstechnik II, SS (Musterlösung) Seite 7 Frage 2.4: Markierungsgraph Das Netz ist lebendig und reversibel.

8 Prüfung Automatisierungstechnik II, SS (Musterlösung) Seite 8 Aufgabe 3: Automatisierungsverfahren (5 min) Frage 3.: Rohwerte 8-bit A/D-Wandler: Wertebereich (0 3,3V) Allgemeine Formel: ,3 Minimal messbarer Kraftwert: Maximal messbarer Kraftwert: 20N 7N 80N: Rohwert = 2 00N: Rohwert = 238 Frage 3.2: Überwachung der zeitlichen Änderungsrate 99N: Rohwert = 236,6 00N: Rohwert = 237,8 0N: Rohwert = 238,9 237,8 > 236, ,9 > 237,8 + Ja, die Genauigkeit reicht aus. Frage 3.3: Überwachung auf feste Grenzen und zeitliche Änderungsrate Wenn ein Gegenstand das Schließen des Garagentores behindert, ändert sich in kurzer Zeit die Kraft auf den Motor. Daher eignet sich für diesen Fall eine Überwachung der zeitlichen Änderungsrate. Um starke kontinuierliche Belastungen zu erkennen, ist eine Überwachung auf Einhaltung fester Grenzen sinnvoll. Die ideale Lösung stellt eine Kombination beider genannter Verfahren dar.

9 Prüfung Automatisierungstechnik II, SS (Musterlösung) Seite 9 Aufgabe 4: Kurzaufgaben (30 min) Frage 4.: Prozessüberwachung a) Relevante Prozesssignale erfassbar direkter Modellvergleich, da geringere Komplexität Nicht alle relevanten Prozesssignale erfassbar indirekter Modellvergleich, da direkter Modellvergleich nicht anwendbar b) Kausale Netze werden zur Auswertung von Alarmmeldungen aus signalorientierten Überwachungen verwendet, um bei sog. expandierenden Ausfällen die Übersicht zu behalten. Frage 4.2: Zuverlässigkeitstechnik a) Mittlere Lebensdauer MTTF = =, 0 λ MTTF2 = 5 0 = λ2 6 5 h h b) Zuverlässigkeit für 2 Jahre t = = 0520 R = e λ t = e h 0520h 0,946 = e 0,388 R 2 = e 7 λ 2 t 2 0 h 0520h 0,02 = e = e 0,979 c) Zuverlässigkeits-Blockdiagramm R 2 ( ( R ) ) 0, 62 2 = R2 d) Reparaturzeit MTTFUmschalter VUmschakter = MTTF Umschalter + MTTR MTTFUmschalter h MTTR = MTTFUmschalter = h = 50h V 0,99999 Umschalter e) Zuverlässigkeits-Blockdiagramm 2-aus-3-Struktur

10 Prüfung Automatisierungstechnik II, SS (Musterlösung) Seite 0 Rechner Rechner 2 Rechner Rechner 3 2-aus-3 R 2 3 ( ( R ) ) 0, = R2 Rechner 2 Rechner 3 Frage 4.3: Prozesssignal-Erfassung Statische Plausibilitätsprüfung Dynamische Plausibilitätsprüfung Anwendung von Sekundärwert-Prüfung Anwendung redundanter Sensoren Mehrfacherfassung Vergleich mit Eichwerten Plausibilitätsprüfungen anhand eines Prozessmodells Aufgabe 4.4: Sicherheitstechnik a) Sicherheitsanalysen dienen zur Identifizierung und Bewertung von Gefährdungen von Mensch und Umwelt durch ein Prozessautomatisierungssystem zum Zwecke der Erhaltung einer Betriebsgenehmigung für das Prozessautomatisierungssystem durch eine Zulassungsbehörde. b) Das Ausfallen der Ampelanlage ist noch nicht sicherheitskritisch für das System. Die Autofahrer werden automatisch vorsichtiger in die Kreuzung hineinfahren. Wenn Ampeln zweier "befeindeten" Straßen gleichzeitig auf grün stehen, dann handelt es sich um eine sicherheitskritische Situation der Kreuzung Aufgabe 4.5: Projektorganisationsformen Linien-Organisation: Projektteam aus einer bestehenden Abteilung. Ähnliche fachliche Ausrichtung der Teammitglieder. Task-Force-Organisation: Gründung einer eigenen Projektabteilung. Unterschiedliche fachliche Ausrichtung der Teammitglieder