Einführung in die Regelungstechnik

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1 Heinz Mann t Horst Schiffeigen t Rainer Froriep Einführung in die Regelungstechnik Analoge und digitale Regelung, Fuzzy-Regler, Regler-Realisierung, Software 10., neu bearbeitete Auflage mit 379 Bildern HANSER

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Erste Orientierung Steuerung Regelung Weitere Beispiele für Steuerungen und Regelungen Zur Lösung regelungsteclmischer AufgabensteIlungen Analoge ÜbeI1ragungsglieder ~ ~ Lineare zeitinvariante Ubertragungsglieder (LZI-Glieder) Wirkungsplan und grafische Simulationsprogramme Mathematische Modellbildung ~ Theoretische Modellbildung (mit Linearisierung) t2 Experimentelle Modellbildung (Identifikation) Nonnierung von mathematischen Modellen Testsignalantworten und zugehörige Kennfunktionen Sprungantwort und Übergangsfunktion Impulsantwort und Gewichtsfunktion Anstiegsantwort und bezogene Anstiegsantwort Frequenzgang Berechnung des Frequenzgangs Bode-Diagramm (Frequenzkennlinien) und Ortskurve Übertragungsfunktion Ubertragungsfunktion und Differenzialgleichung Verknüpfung von LZI-Gliedem Übertragungsfunktion und andere Kennfunktionen ~ Pole und Nullstellen (P-N-Plan) Stabi1ität ~.... ~ ~ Zum Begriff der Stabilität _ Grundlegendes Stabilitätskriterium für LZI-Glieder HUlWitz-Kriterium Einfache LZI-Glieder ~ P-GIied P-T 1-G1ied..... ~ P-T2- GIied Tt-G1ied und I-T ]-Glied ~ D- und D-T 1-Glied..... t Übersicht

3 8 Inhalt.werzeichnis 3 Regelstrecken Einteilung der Regelstrecken 3.2 Regelstrecken mit Ausgleich Regelstrecken mit Ausgleich und ohne Verzögerung Regelstrecken mit Ausgleich und Verzögerung l. Ordnung Regelstrecken mit Ausgleich und Verzögerung höherer Ordnung. 3.3 Regelstrecken ohne Ausgleich Regelstrecken ohne Ausgleich und ohne Verzögerung Regelstrecken ohne Ausgleich und mit Verzögerung. 3.4 Regelstrecken mit Totzeit 3.5 Regelbarkeit von Strecken 4 Analoge Regeleinrichtungen 4.1 Einteilung der Regeleinrichtungen. 4.2 Unstetige Regeleinrichtungen Proportional wirkende Regler (P-Regler) Integral wirkende Regler (I-Regler) Proportional-integral wirkende Regler (PI-Regler) Regler mit Vorhalt (PD- und PID-Reg1er) Vergleich der stetigen Regler Realisierung stetiger Regeleinrichtungen mittels innerer Rückführung Verstärker mit starrer Rückführung (P-Regler) Verstärker mit nachgebender Rückführung (1- und PI-Regler) Verstärker mit verzögerter Rückführung (PD-Regler) Verstärker mit verzögerter und nachgebender Rückführung (PID-Regler). 5 Analoger Regelkreis Anforderungen an das Führungs- und Störverhalten. 5.2 Standard-Konfigurationen von Strecke und Regler Zweipunktregler Regelkreise mit Zweipunktreglem Zweipunktregler an Regelstrecken mit Ausgleich Zweipunktregler an Regelstrecken ohne Ausgleich Zweipunktregler mit Rückführung Dreipunktregler Dreipunktregler mit Transistor-Schaltverstärker Dreipunktregler mit Rückführung 4.3 Stetige Regeleinrichtungen Auswahlgesichtspunkte 5.3 Frequenzgang des offenen Regelkreises Stabilitätsanalyse anhand der Ortskurve Stabilitätsanalyse anband der Frequenzkennlinien Frequenzkennlinien als Entwurfswerkzeug (FKL-Verfahren) J9 J 195

4 Inhaltsverzeichnis Wurzelortskurven (WOK-Verfahren) Einstellverfahren Optimierung der Reglerparameter Einstellregeln Vennaschte Regelkreise Regelkreis mit Störgrößenaufschaltung Regelkreis mit Hilfsregelgrößen-Aufschaltung Unterlagerte Regelkreise (Kaskadenregelung) Regelkreis mit Störgrößenregelung Mehrgrößenregelungen Regeleinrichtung mit Strukturumschaltung ("Anfahren" von Regelkreisen). 5.8 SeIhsteinstellende (adaptive) Regelkreise Nichtlineare Regelkreise Digitale Reglerrealisierung (DDe) 6.1 Überblick Funktionseinheiten einer digitalen Regeleinrichtung Analog-Digital-Umsetzung Digitaler Regler Digital-Analog-Umsetzung Annahmen beim Berechnungsmodell des digitalen Reglers 6.3 Digitaler PID-Regler P-Anteil I-Anteil D-Anteil Stellungs- und Geschwindigkeitsalgorithmus. 6.4 Berechnung weiterer Regelalgorithmen Digitales BerechnnngsmodeU der Regelstrecke. 7.1 Einführung Digital-Analog-Umsetzung und z-transfonnation. 7.3 Diskretisierungsverfahren Diskretisierungsbeispiele 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. 8.2 Testsignalantworten und zugehörige Kennfunktionen 8.3 z-übertragungsfunktion

5 10 Inhaltsverzeichnis 8.4 Wirkungsplan und grafische Programmierung 8.5 Stabilität... 9 Digitaler Regelkreis Anforderungen an das Fübrungs- und Störverhalten. 9.2 Zur Wahl der Abtastperiode bei digital realisierten Reglern 9.3 Einstellverfahren, Einstellregeln Fuzzy-Regler (Fuzzy-Controller) Einordnung Regelbasis, linguistische Größe und Fuzzy-Menge 10.3 Fuzzy-Iogische Operationen Infonnationsverarbeitung im Fuzzy-Regler Fuzzifizierung der Regeldifferenz Bestimmung des Erfüllungsgrades jeder Regel Ennittlung der Stellgrößen-Fuzzy-Menge jeder Regel Bestimmung der resultierenden Stellgrößen-Fuzzy-Menge Defuzzifizierung der Stellgröße Kennlinien von Fuzzy-Reglem 10.6 Fuzzy-PID-Regler Regelungstechnische Baueinheiten 11.1 Mess- und Übertragungseinrichtungen Sensoren Umfonner, 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 (DDe) Analog-Digital-Umsetzung Prozessrechner Hardware Software, Programmierung Digital-Analog-Umsetzung

6 Inhaltsverzeichnis 11.4 Stellglieder und Stellantriebe Stellglieder Elektrische Stellglieder Stellventile Drosselklappen Stellantriebe Elektrische Stellmotoren Pneumatische Stellmotoren Hydraulische Stellmotoren Kombinierte Stellmotoren Anhang A. 1 Einstieg in Matlab/Simulink A.2 Anwendungen der komplexen Rechnung.. A.3 Anwendungen der Laplace-Transformation. A.4 Anwendungen der z-transformation... A.5 Skizzieren von Frequenzkennlinien (Bode-Diagramm) Ergänzende und weiterführende Literatur Literatur zu MatIab/Simulink. Normen und Richtlinien Formelzeichen. Glossar.... Sachwortverzeichnis

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