Praktische Regelungstechnik

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1 Praktische Regelungstechnik

2 Wolfgang Schneider BertholdHeinrich Praktische Regelungstechnik Effektiv lernen durch Beispiele 4., überarbeitete Auflage

3 Wolfgang Schneider FB Maschinenbau und Versorgungstechnik Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg Nürnberg, Deutschland Berthold Heinrich Max-Born-Berufskolleg Recklinghausen, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1991, 1994, 2008, 2017 Das WerkeinschließlichallerseinerTeileist urheberrechtlichgeschützt. JedeVerwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Lektorat: Thomas Zipsner Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Strasse 46, Wiesbaden, Germany

4 Vorwort Das vorliegende Lehrbuch der Regelungstechnik ist für den Maschinen und Anlagenbauer gedacht, nicht für den Spezialisten aus der Elektrotechnik. Daher stammen die meisten Beispiele aus der Praxis des Planers oder Betreibers von Produktions- oder Versorgungsanlagen. Es werden weniger die mathematischen Verfahren erläutert, die man vor allem in der elektrischen Regelungstechnik findet, sondern es sollen eher praxisnahe, d. h. anlagennahe Kenntnisse und Fähigkeiten vermittelt werden. Die Grundlagen der Regelungstechnik haben sich in den letzten Jahren wenig geändert, aber die Hochschullandschaft ist in Bewegung geraten. Mit der Einführung von Bachelor-Studiengängen ist eine Neuorientierung auch in der Regelungstechnik notwendig geworden. Durch die deutliche Reduzierung des Stundenumfangs musste auch die Regelungstechnik auf das Basiswissen und allgemein einsetzbare Fähigkeiten konzentriert werden. Aufbauend darauf werden dann weiterbildende Bücher der Regelungstechnik in Masterstudiengängen benötigt. Das vorliegende Buch ist vor allem für die Ausbildung zum Bachelor im Bereich Technik geeignet. Das Besondere dieses Lehr- und Arbeitsbuches sind die zahlreichen ausführlich berechneten Übungsbeispiele, die meisten davon basieren auf realen Anlagen, die aus didaktischen Gründen aber vereinfacht wurden. Aus Klausuraufgaben wurden durch Erweiterung der Aufgabenstellung umfangreiche Übungsaufgaben, die insbesondere das Selbststudium unterstützen. Der Aufbau des Buches richtet sich nach den Hauptkomponenten eines Regelkreises. Nach den Grundlagen der Regelungstechnik wird in Kap. 2 eine Übersicht über die Regelstrecken gegeben, Kap. 3 beschreibt die Regler. Der Aufbau und die Einstellung des analogen Regelkreises nach empirischen Verfahren werden in Kap. 4 erläutert. Abgerundet wird dieses Lehrbuch im Abschn. 4.7 durch die Vorstellung einiger besonderer Regelkreise, wie sie in der Praxis häufig zum Einsatz kommen. Das Buch ist gegenüber der 3. Auflage von 2008 deutlich umstrukturiert worden. Neben dem Autorenwechsel war auch ein Grund das Erscheinen der DIN IEC Diese hat viele Begrifflichkeiten in der Steuerungs- und Regelungstechnik neu formuliert. Durch die Umstrukturierung des Buches kann es an einzelnen Stellen dazu kommen, dass auf Inhalte kommender Kapitel verwiesen wird. In diesen Fällen sollte das Sachwortverzeichnis benutzt werden. V

5 VI Vorwort Wichtige Elemente im Buch sind die durchgerechneten Beispiele, die das theoretisch Dargestellte in praxisbezogenen Kontexten anwenden. Als weiteres Element werden Aufgaben angeboten, deren Lösungen über einen QR-Code abgerufen und mit der eigenen verglichen werden können. Besonderen Dank gilt den Mitarbeitern des Verlags Springer Vieweg, insbesondere Herrn Thomas Zipsner und Frau Imke Zander. Wanne-Eickel, im Dezember 2016 Berthold Heinrich

6 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen Begriffe Steuern Regeln Regelungssystem Normierung Arbeitspunkt Linearisierung Signale Mathematische Beschreibungen Mathematische Beschreibung im Zeitbereich Mathematische Beschreibung im Frequenzbereich Mathematische Beschreibung digitaler Signale Mathematische Beschreibung stochastischer Signale Wirkungsplan Testfunktionen Sprungantwort Impulsantwort Anstiegsantwort Antwortfunktionen für elementare Zeitverhalten P-Verhalten I-Verhalten D-Verhalten Regelstrecken Definition Analyse des Verhaltens von Regelstecken Klassen von Regelstrecken Strecken mit oder ohne Rückwirkung Statisches Verhalten von Regelstrecken Grundlagen VII

7 VIII Inhaltsverzeichnis Kennlinien von Regelstreckenkomponenten Zeitverhalten von Regelstrecken Grundlagen Totzeitverhalten Zeitverhalten der P-T 1 -Strecke Nachbildung von P-Strecken höherer Ordnung Kennwerte für schwingungsfähige P-Strecken Strecken mit I-Verhalten Regler Allgemeines Grundzeitverhalten des Reglers P-Regler Begriffe Bleibende Regelabweichung Kennlinie des P-Reglers PI-Regler Grundlagen I-Teil des Reglers Nachstellzeit T i PI-Regler in Parallelschaltung PD-Regler Der Verschwindeimpuls Kennwerte des PD-Reglers Vorhalt T V PID-Regler Unstetige Regler Arten von unstetigen Reglern Erzeugen des Stellverhaltens eines Zweipunktreglers Zusammenwirken von Regler und Strecken Grundlagen Regelkreisanalyse Methodik der Analyse Ablauf der Regelkreisanalyse Spezielle Regelkreise Regelkreis mit bleibender Regeldifferenz Regelkreis ohne bleibende Regeldifferenz Regelkreise mit schwingendem Verhalten Empirische Einstellregeln Stabilität Einstellwerte aus der Sprungantwort

8 Inhaltsverzeichnis IX Regelgüte Regleroptimierung Zeitverhalten von Regelkreisen mit Zweipunktreglern P-T 1 -Strecke mit Zweipunktregler und Hysterese Zeitverhalten eines Zweipunktreglers ohne Hysterese an einer P-T i -Strecke Verbesserung des Regelverhaltens Digitale Algorithmen Kopplung der Regelstrecke mit dem digitalen Regler Digitales Modell der Regelstrecke Regelschaltungen Beispiele für einschleifige Regelkreise Grob-Fein-Regelung Störgrößenaufschaltung Führungsgrößenaufschaltung Verhältnisregelung Kaskadenregelung Literatur Sachverzeichnis