Regelungstechnik und Simulationstechnik mit Scilab und Modelica
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- Edmund Sommer
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1 Peter Beater Regelungstechnik und Simulationstechnik mit Scilab und Modelica Eine beispielorientierte Einführung für Studenten und Anwender aus dem Maschinenbau
2 Inhaltsverzeichnis Begriffe und Formelzeichen XIX Teil 1: Regelungstechnik 1 Regelungen im Maschinenbau Inhalt dieses Kapitels Antriebsregelungen Temperaturregelungen Druckregelungen Aufgabe der Regelungstechnik 4 2 Systemdarstellung im Wirkungsplan Inhalt dieses Kapitels Elemente des Wirkungsplans Beispiele für Wirkungspläne Typische Übertragungsglieder im Wirkungsplan Sprungantwort P-Glied Sprungantwort P-T r Glied Sprungantwort P-T 2 -Glied Übersicht über die verschiedenen Übertragungsglieder Fragen zu Kapitel 2 13
3 XII Inhaltsverzeichnis 3 Einstellregeln Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Reglertypen Einstellregeln nach Ziegler und Nichols Das erste Verfahren von Ziegler und Nichols Das zweite Verfahren von Ziegler und Nichols Abschätzung der Regelbarkeit Fragen zu Kapitel Berechnen der Sprungantwort Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Definition der Sprungantwort Sprungantwort eines P-Gliedes Technisches Beispiel Mathematische Grundlage der Berechnung der Sprungantwort Sprungantwort eines P-Ti-Gliedes Weiteres technisches Beispiel für ein P-Ti-Glied Sprungantwort eines P-T 2 -Gliedes Sprungantwort eines P-T 2 -Gliedes mit einem Dämpfungsgrad S > Sprungantwort eines P-T 2 -Gliedes mit einem Dämpfungsgrad 9 < Sprungantwort eines P-T 2 -Gliedes mit einem Dämpfungsgrad 9= Weitere technische Beispiele Sprungantwort eines P-T n -Gliedes Sprungantwort eines I-Gliedes Sprungantwort eines D-Gliedes Sprungantwort eines Totzeit-Gliedes Überlagerung von Sprungantworten Kennwerte einer Sprungantwort Numerische Berechnung der Sprungantwort Fragen zu Kapitel Was noch nicht gesagt wurde 63 5 Stabilität und Dämpfung Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Übersicht Stabilität des P-T,-Gliedes Stabilität des P-T 2 -Gliedes 69
4 Inhaltsverzeichnis XIII 5.4 Stabilität des P-T n -Systems Stabilität des I-Gliedes Stabilitätsberechnungen mit Scilab Fragen zu Kapitel Linearisierung Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Linearisieren von Kennlinien Linearisieren von Differentialgleichungen Wahl des Arbeitspunktes Fragen zu Kapitel Verhalten bei sinusförmiger Anregung Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Antwort auf ein sinusförmiges Eingangssignal Darstellung im Bode-Diagramm Bode-Diagramm für ein P-T r Glied Bode-Diagramm für ein P-T 2 -Glied Bode-Diagramm für ein I-Glied Bode-Diagramm für ein D-Glied Bode-Diagramm für ein PD-Glied Bode-Diagramm für ein Totzeit-Glied Berechnung von Bode-Diagrammen mit Scilab Fragen zu Kapitel 7 122
5 XIV Inhaltsverzeichnis 8 Arbeiten im Frequenzbereich Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Systemverhalten bei hohen oder niedrigen Frequenzen Verhalten bei hohen Frequenzen Verhalten bei niedrigen Frequenzen Verbinden einzelner Systemteile Reihenschaltung von Übertragungsgliedern Parallelschaltung von Übertragungsgliedern Ein typischer Regler Führungsverhalten eines Regelkreises Störverhalten eines Regelkreises Übersicht über häufige Strukturen im Wirkungsplan Fragen zu Kapitel Reglerauslegung im Zeitbereich Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Auswirkungen einer Rückkopplung auf die Dynamik und Stabilität Schlussfolgerungen Reglerauslegung im Frequenzbereich Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Unter welchen Bedingungen arbeitet ein System stabil? Welchen Dämpfungsgrad besitzt der geschlossene Kreis? Einfluss der Dynamik des Messgliedes Fragen zu Kapitel Teil 2: Simulationstechnik 11 Einführung in die Simulationstechnik Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Einige Definitionen Simulation in der Produktentwicklung Aspekte beim Einsatz von Simulationen Entwicklung und Einteilung von Simulationswerkzeugen Fragen zu Kapitel
6 Inhaltsverzeichnis XV 12 Modellbildung Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Arten von Modellen Theoretische Modellbildung Ein Druckregelventil als Beispiel zur theoretischen Modellbildung Arbeitsschritte bei der theoretischen Modellbildung Experimentelle Modellbildung Fragen zu Kapitel Numerische Lösung von Differentialgleichungen Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Vorüberlegungen Euler-Verfahren Runge-Kutta-Verfahren Mehrschrittverfahren Steife Systeme Was noch nicht gesagt wurde Fragen zu Kapitel Rechnerdarstellung von Differentialgleichungen Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Zahlendarstellung im Digitalrechner und die Folgen Von der Differentialgleichung zum Programm Simulation des Reihenschwingkreises mit Euler-Integration Unstetige Systeme - Ereignisse" Fragen zu Kapitel Zwangsgleichungen, Schleifen und Weiteres Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Zwangsgleichungen Algebraische Schleifen Modelle mit Strukturumschaltung Zu einfache Modelle Fragen zu Kapitel
7 XVI Inhaltsverzeichnis 16 Erste Schritte in Modelica - Ein Schwingkreis Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Modelica in wenigen Sätzen Einsatz der Modelica-Bibliothek Eingabe der Differentialgleichungen Eingabe des Wirkungsplans Simulation des Fadenpendels Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Modellgleichungen Ein erstes Modelica-Modell Setzen der Anfangswerte - das Attribut start Setzender Anfangswerte-initial equation Einfluss der Dämpfung - der Operator when Zuweisungen statt Gleichungen - algorithm Ein hüpfender Ball Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Ein erstes Modell - der Operator when Ein verbessertes Modell Stoßzahl mittels Kennlinie Wärmeleitung im Stab - Bibliotheken Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Diskretisieren des langen Stabs Verwendung der Modelica-Bibliothek Die Zahl der Gleichungen beim Schwingkreis Was alles noch nicht gesagt wurde Fragen zu Kapitel Simulation eines pneumatischen Balgzylinders Inhalt dieses Kapitels Modellgleichungen des Balgzylinders Modelica-Modell des Balgzylinders Einige Modelica-Details 301
8 Inhaltsverzeichnis XVII Teil 3: Beispielsysteme 22 Temperaturregelung eines elektrischen Lötkolbens Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Beschreibung der Regelungsaufgabe und Regelstrecke Modellbildung Teil 1: Kennlinie Modellbildung Teil 2: Bode-Diagramm Reglerauslegung im Bode-Diagramm Ergebnisse Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels Modellgleichungen Programmieren des Wirkungsplans in Modelica Berechnen des Frequenzgangs Nichtlineares Simulationsmodell Zahlenwerte des Laboraufbaus Was noch nicht gesagt wurde Modellierung einer Druckregelung Inhalt dieses Kapitels Aufstellen der Modellgleichungen der Pneumatik Aufstellen der Modellgleichungen der Mechanik Regelverhalten Was noch nicht gesagt wurde 357 Anhang Al Mathematische Methoden der Regelungstechnik 361 A1.0 Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels 361 ALI Quadratische Gleichungen 362 A1.2 Darstellung komplexer Zahlen und Zeiger 367 A1.3 Taylorreihenentwicklung 373 Al.4 Differentialgleichungen ohne Anregung 374 Al.5 Differentialgleichungen mit konstanter Anregung 378 A1.6 Differentialgleichungen mit sinusförmiger Anregung 382
9 XVIII Inhaltsverzeichnis A2 Erste Schritte mit Scilab 387 A2.0 Inhalt und Voraussetzungen dieses Kapitels 387 A2.1 Scilab als Taschenrechner 387 A2.2 Skripte und Funktionen 393 A2.3 Vektoren und Matrizen 398 A2.4 X-Y-Graphiken 404 A2.5 Polynome 408 A2.6 Einrichten von Scilab 412 A2.7 Was alles noch nicht gesagt wurde 413 A2.8 Aufgaben 415 A2.9 Übersichten über Scilab-Befehle 417 A2.10 Beispiel für die Funktion datafit 425 A3 Modellvorstellungen in der Technik 427 A3.1 Modellvorstellungen in der Elektrotechnik 428 A3.1.1 Grandgleichungen einiger Bauelemente 428 A3.1.2 Netzwerkanalyse 431 A3.1.3 Reihenschwingkreis 431 A3.1.4 Permanenterregter Gleichstrommotor 436 A3.2 Modellvorstellungen in der Mechanik 437 A3.2.1 Modellgleichungen des Fadenpendels 439 A3.2.2 Newtons Stoßhypothese 441 A3.3 Modellvorstellungen in der Pneumatik 446 A3.3.1 Beschreibung eines Balgzylinders 448 A3.4 Modellvorstellungen beim Wärmetransport 451 A3.4.1 Temperaturverteilung in einem Stab 453 A4 Stichwortartige Lösungen einiger Übungen 457 Index 491
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