Taschenbuch der praktischen Regelungstechnik

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1 Taschenbuch der praktischen Regelungstechnik herausgegeben von Norbert Große, Wolfgang Schorn Mit 262 Bildern und 44 Tabellen Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung 15 1 Grundlagen Einführung Merkmale der Regelungstechnik Regelungstechnik als Teilgebiet der Kybernetik Kybernetik und System Bereiche der Kybernetik Begriffe der Prozesstechnik Prozess und Information Prozessklassen Begriffe der Informationstheorie Wirkungspläne Elemente von Wirkungsplänen Strukturen Steuerung und Regelung Begriffe der Leittechnik Elemente einschleifiger Regelkreise Darstellung von Regelungsaufgaben in Fließbildern Mathematische Grundlagen linearer Systeme Grundzüge der linearen Algebra Allgemeine Definition linearer Übertragungsglieder Vektoren und Matrizen Das GAUßsche Eliminationsverfahren Determinanten Eigenwerte und Eigenvektoren Systemanalyse im Zeitbereich Lineare Differenzialgleichungen FOURIER-Reihen Testsignale zur Systemidentifikation Differenzialgleichungssysteme und Zustandsraum Systemanalyse im Frequenzbereich LAPLACE-Transformation Lösen von Differenzialgleichungen Übertragungsfunktionen Partialbruchzerlegung Frequenzgangrechnung Darstellen und Verknüpfen linearer Übertragungsglieder Mathematische Grundlagen nichtlinearer Systeme Einführung Kriterien nichtlinearer Systeme Ausgewählte Übertragungsglieder Rückgewinnen von Eingangssignalen Kennlinieninvertierung 96

3 8 Inhaltsverzeichnis Gegenkopplung Linearisierungsverfahren Tangenten- und Sekantenlinearisierung Harmonische Linearisierung Regelstrecken Allgemeine Merkmale Komponenten von Regelstrecken Streckenverhalten Streckenarten Kenngrößen von Regelstrecken Stellgeräte Allgemeiner Aufbau Zeitverhalten Messeinrichtungen Allgemeiner Aufbau Zeitverhalten Einstellzeit Kompensieren der Einstellzeit Stoff- und Energiebeeinflussung Strecken mit Ausgleich Allgemeine Darstellung Strecken ohne Totzeit ' Strecken mit Totzeit Strecken ohne Ausgleich Strecken mit integrierendem Verhalten Weitere Strecken ohne Ausgleich Prozessmodelle Grundlagen Technische Motivation Begriffe und Taxonomien Modellierungsvorgang Grafische Methoden der Parameterschätzung Einfuhrung Wendetangentenverfahren Zeitprozentverfahren T-Summen-Konstruktion für Strecken mit Ausgleich Analyse von Schwingungen bei PT 2 -Strecken Verfahren für Strecken ohne Ausgleich Streckenmodelle für das Beharrungsverhalten Numerische Methoden der Parameterschätzung Technische Voraussetzungen Schätzen von Totzeiten Parameterschätzung für stationäre Prozessmodelle Parameterschätzung für dynamische Prozessmodelle Zustandsschätzung Grundlagen 182

4 Inhaltsverzeichnis Zustandsschätzung mit Parallelmodellen Zustandsschätzung mit Beobachterverfahren Zustandsprognosen Konventionelle Regeleinrichtungen Allgemeine Merkmale Komponenten von Regeleinrichtungen Klassifizierung von Reglern Merkmalsklassen PID-und Mehrpunktregler Anwendungsspezifische Regler und Universalregler Regler ohne und mit Hilfsenergie Baustein- und Kompaktregler Feldregler und Wartenregler Stetige und unstetige Regler Digital-und Analogregler DDC und SPC Festwert-und Folgeregler Regler Vergleichsglied Elementare PID-Regler Bausteine elementarer Regler Grundformen des PID-Reglers Varianten des PID-Reglers Quadratische P-Regelung Begrenzen des I-Anteils Modifikation des D-Anteils Lead-Lag-Regler Floating-Gap-Regelung Schaltende Regler Einfache Zweipunktregler Zweipunktregler mit Rückführung Dreipunktregler Ausgabeglied Funktionsspektrum Bilden und Ausgeben der Stellgröße Einstellen des Arbeitspunktes Auswahl Automatik-/Handstellwert Begrenzungen Ausgeben von Stellwerten Ermitteln des Reglerverhaltens Technische Motivation Aufnehmen von Antwortfunktionen Regelkreise mit konventionellen Reglern Einführende Betrachtungen Beharrungszustände einschleifiger Regelkreise 233

5 10 Inhaltsverzeichnis Modellregelkreis Stationärzustände Typische Regler-Strecken-Kombinationen Zusammenfassung Allgemeine Hinweise Zeitverhalten einschleiflger Regelkreise Stabilitätsbetrachtungen Begriffsklärungen ROUTH-und HURWITZ-Kriterium Das Wurzelortskurvenverfahren Das NYQUIST-Kriterium Stabilitätskriterien für die Praxis im Vergleich Regelung von Strecken mit Ausgleich Überblick (P)I-Regler und P-Strecke PI-Regler und PT,-Strecke PI-Regler und PT 2 -Strecke PI(D)-Regler und PT n -Strecke P(I)-Regler und Totzeit-Strecke PI(D)-Regler und PT,T t _Strecke Regelung von Strecken ohne Ausgleich P(I)-Regler und I-Strecke PI(D)-Regler und IT n -Strecke (P)I-Regler und progressive Strecke Regelungsstrukturen Folgeregelung Zeitplanregelung Verhältnisregelung Kaskadenregelung Hilfsgrößenaufschaltungen Störgrößenaufschaltung Arbeitspunkteinstellung Regelungen mit mehreren Prozessgrößen Einflussgrößenaufschaltung Ablöseregelung Regelung mit Bereichsaufspaltung Reglerparametrierung Einführung Grundsätzliche Vorgehensweise Anforderungen an Regelungen Optimierungskriterien Überblick Betragsoptimum und symmetrisches Optimum Einstellverfahren Grundsätzliche Vorgehensweise Parameterwahl für Strecken mit Ausgleich Parameterwahl für Strecken ohne Ausgleich 301

6 Inhaltsverzeichnis Parametrierung von Reglerkaskaden Parametrierung von Zweipunktreglern Adaptive Regelung Einführung Grundlagen Begriffe nach Regelwerken Adaptionsprinzipien Parameteradaption Identifikationsverfahren Sprungantwortmethode Impulsantwortmethode Relay-Feedback-Methode Anfahren von Regelkreisen Technischer Hintergrund Ablauf von Anfahrvorgängen Ausführungszustände und Betriebsarten Arbeitspunkteinstellung Einstellung im Handbetrieb Einstellung im Automatikbetrieb Abtastregelung Mathematische Grundlagen diskreter Systeme Abtastvorgang Technische Motivation Abtasthalteglied Wahl der Abtastperiode Numerische Behandlung diskreter Werte Differenzengleichungen Abtastverzögerungen Programmieren von Differenzengleichungen z-transformation Transformation in den Bildbereich Operationen der z-transformation Rücktransformation z-übertragungsfunktion Grenzwertsätze Stabilität zeitdiskreter Systeme Korrespondenz von LAPLACE- und z-transformation Einfluss der Lage der Pole in der z-ebene Digitale Regelalgorithmen Zeitdiskrete PID-Regelung Einführung Vergleichsglied und Regelglied Ausgabeglied Parameterwahl für digitale PID-Regler Deadbeat-Regelung Einführung 379

7 12 Inhaltsverzeichnis Deadbeat-Regler ohne Betrachtung von Störungen Deadbeat-Regler mit Betrachtung von Störungen Modellgestützte gehobene Regelung Zustandsregelung Allgemeine Eigenschaften Zustandsraum Transformation auf Normalformen Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit Übertragungsfunktion Stabilität Zustandsregelung Regelungsstruktur Reglerentwurf nach Polvorgabe Optimale Zustandsregelung Vorfilter Störgrößenkompensation Beobachtung von Zustandsgrößen Überblick LUENBERGER-Beobachter KALMAN-Filter Ausgangsrückführung Zeitdiskreter Zustandsregelkreis Diskretisierung der Zustandsraumdarstellung Zustandsreglerentwurf nach Polvorgabe Optimaler Zustandsreglerentwurf Zeitdiskrete Zustandsbeobachter Zeitdiskrete Ausgangsrückführungen Prädiktive Regler Modellbasierte prädiktive Regelung Regelung mit SMITH-Prädiktor Fuzzy-Technik und neuronale Netze Fuzzy-Technik in der Regelungstechnik Einführende Betrachtungen Fuzzy-Set-Theorie Technische Motivation Grundlagen und Begriffe Fuzzy-Logic-Systeme Strukturen Fuzzifizierung Inferenz Defuzzifizierung Anmerkungen zu Fuzzy-Systemen Allgemeines Benennung der linguistischen Terme Unterschiedlich vertrauenswürdige Regeln 450

8 Inhaltsverzeichnis Scharfe Konklusionen Regelungstechnische Anwendungen Ersetzen von Regelalgorithmen Parameteradaption Strukturumschaltungen : Stabilität eines Regelkreises mit Fuzzy-Regler Produktbeispiele und Einsatzgebiete Neuronale Netze in der Regelungstechnik Einführung in neuronale Netze Technische Motivation Grundlagen und Begriffe Aufbau eines neuronalen Netzes Vernetzung von Neuronen Neuronen Die Struktur eines neuronalen Netzes Lernmethoden für neuronale Netze Klassifizierung Backpropagation-Algorithmus Anmerkungen zu neuronalen Netzen Allgemeines Berücksichtigung der Signaldynamik Online- und Offline-Verfahren Lernmatrizen Einsatzgebiete in der Regelungstechnik Einsatz neuronaler Netze Fuzzy-Logic und neuronale Netze Technische Realisierungen Regelungstechnische Projekte Projektieren Begriffe Ablauf von PLT-Projekten Lastenheft und Pflichtenheft Beschreibungsmittel ER-Diagramme Phasendiagramme Anlagenbeschreibung PLT-Stellenblätter und PLT-Stellenpläne Programmiersprachen Zustandsgraphen Gerätetechnik Anwendungsspezifische Regler Begriffe Regler ohne Hilfsenergie Stellungsregler Kompaktregler Überblick 529

9 14 Inhaltsverzeichnis Grundsätzlicher Aufbau von Kompaktreglern Algorithmen Konfigurieren und Bedienen von Kompaktreglern Regelung mit Prozessleitsystemen Begriffe und Komponenten Leittechnische Hierarchien Bedienen und Beobachten Regelungstechnische Hilfswerkzeuge Begriffe und Komponenten Klassen von Hilfswerkzeugen Prozesssimulation Simulationssprachen Allgemeine Eigenschaften ACSL MODELICA MATLAB-Scriptsprache OOCSMP Simulationssysteme Allgemeiner Aufbau Ausgewählte numerische Verfahren Ausgewählte Simulationssysteme Control Performance Monitoring (CPM) 576 A Anhang 582 A. 1 Begriffe und Benennungen 582 A. 1.1 Abkürzungen 582 A.1.2 Ausgewählte deutsche und englische Begriffe 585 A. 1.3 Formelzeichen 595 A.2 Standardisierungsinstitutionen 599 Literatur- und Normenverzeichnis 602 Regelwerke 602 Standardliteratur 604 Kapitelbezogene Quellenangaben 607 Sachwortverzeichnis 625 Über die Autoren 636