Prof. Dr. H. Paerschke, Hochschule München Fk 05 / VSG Zuluft-Kaskadenregelung Seite 1

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1 Prof. Dr. H. Paerschke, Hochschule München Fk 05 / VSG Zuluft-Kaskadenregelung Seite Versuchsanleitung: Computersimulation und Optimierung einer Zuluft-Kaskadenregelung Hochschule München, Fk 05 VSG Labor Messen, Steuern, Regeln, G 0.09 Prof. Dr. Hartmuth Paerschke Herr Ulf Martienßen Das zeitliche Regelverhalten eines einfachen Regelungssystems aus der Lüftungs- und Klimatechnik ist mit Hilfe des Simulationsprogrammss MALAB/SIMULINK am PC zu untersuchen. Zunächst ist das Modell der Regelstrecke zu laden und die Sprungantworten der (ungeregelten) Strecke zu simulieren. Anschließend ist das Streckenmodell durch geeignete Regler zu einem einschleifigen Regelkreis zu erweitern. Das Regelverhalten ist zu untersuchen und zu optimieren. Danach soll die Verbesserung durch eine Kaskadenregelung in der Simulation nachgewiesen werden. Hinweis: Während des Praktikums ist ein Protokoll mit der Lösung der unten gestellten Aufgaben zu führen. Beschriften Sie dabei jedes Bild so ausführlich, dass der Inhalt deutlich wird (Was ist dargestellt? Achsenbezeichnung, Maßstab, Kennzeichnung der Kurven, gültige Parameter). Anhand des vervollständigten, korrekten Protokolls wird der rfolg des Praktikums bestätigt. Starten Sie das Simulationsprogramm MALAB/SIMULINK. Machen Sie sich anhand des Anlagenschaltbildes und Simulationsmodells auf Seite 3 mit der Funktion der zu regelnden Luftheizungsanlage vertraut. ragen Sie Regelgröße, Messgrößen, Störgröße und die hydraulischen Schaltung in die abelle ein. Laden Sie das regelungstechnische Simulationsmodell kaskaden_regelstrecke.mdl. rmitteln Sie die charakteristischen Kennwerte (Proportionalbeiwerte, Verzögerungs- und otzeitzeitkonstante) der einzelnen Blöcke des Modells und tragen Sie diese Größen mit ihren Maßeinheiten das Simulationsmodell ein. Aufgaben:. rmitteln Sie die Antwort der ungeregelten Gesamtstrecke auf eine sprunghafte rhöhung des Hubs des rhitzerventils um 0 % bei konstanter Außentemperatur. (Simulationszeit 40 min). Interpretieren Sie das rgebnis (Arbeitspunkt ϑ a = 5 C, H = 50%, ϑ R = 20 C). Drucken Sie das rgebnis aus (Bild a) und ermitteln Sie für die Reglerauslegung u, g und die Schwierigkeit S der temperatur-regelstrecke. ragen Sie die Werte in die abelle 2 auf Seite 4 ein. Verändern Sie die Skalierung der Zeitachse geeignet, um auch für die Zulufttemperatur-Regelstrecke u, g und die Schwierigkeit S zu ermitteln (Bild b). 2. rmitteln Sie die Antwort der Gesamtstrecke auf eine sprunghafte Absenkung der Außentemperatur um 0 K bei konstantem Hub. Interpretieren Sie das rgebnis. Drucken Sie das rgebnis als Bild 2 aus. 3. Modellieren Sie den temperatur-regelkreis (mit P-Regler). Für den einfachen temperatur-regelkreis sind die die instellungen für einen P- und einen PI-Regler zu berechnen (für Störungsregelung, aperiodischer Verlauf) und in die abelle 2. rmitteln Sie die Antwort des einschleifigen Regelkreises auf eine sprunghafte Absenkung der Außentemperatur um 0 K mit dem P-Regler (Bild 3a) und mit einem PI-Regler (Bild 3b). Optimieren Sie ggf. die Reglereinstellungen. s_lh_.doc Nur zum Gebrauch an der Hochschule München, Fk 05 VSG Pae

2 Prof. Dr. H. Paerschke, Hochschule München Fk 05 / VSG Zuluft-Kaskadenregelung Seite 2 4. Wegen der großen Verzögerungen des es können Änderungen der Außentemperatur ebenfalls nur stark verzögert vom Regler berücksichtigt werden. Die Regelung der Zulufttemperatur kann wesentlich schneller reagieren. Modellieren Sie eine Zulufttemperatur- Regelung mit PI-Regler (für Führungsregelung mit aperiodischem Verlauf). Berechnen and analysieren Sie das Störungsverhalten des Regelkreises bei Außentemperaturabfall von -0 K (Bild 4). 5. Bei der Kaskadenregelung dient dieser Zulufttemperatur-Regler als Hilfsregler, der seine Sollwertvorgabe von einem weiteren Regler, dem Hauptregler bekommt. Der Hauptregler hat als Regelgröße die temperatur und als Stellgröße gibt er die vom Hilsfsregler einzuregelnde Zulufttemperatur aus. s handelt sich näherungsweise um eine t-p2-strecke. Gegenüber der großen Verzögerung des es ist die Verzögerung durch den Messsensor praktisch vernachlässigbar. Man kann die instellregeln nach Ziegler, Nichols verwenden. rmitteln Sie die optimalen instellungen für einen PI-Regler. ntwerfen Sie eine Kaskadenregelung mit Hilfs- und Hauptregler und erweitern Sie das Simulationsmodell entsprechend. Berechnen Sie das Störverhalten der Zuluftkaskade bei einem Außentemperaturabfall von 0 K (Bild 5). Vergleichen Sie das Resultat mit Bild 3b. Regler instellregeln für P n (- t )-Strecken mit bekannten Parametern, S = u / g nach Chien, Hrones und Reswick Störungsregelung aperiodischer Verlauf kürzester Dauer Führungsregelung. kürzeste Ausregelzeit Überschwingen 20 % nach Gegenseite Störungsregelung Führungsregelung P V 0 = 0,3 / S 0,3 / S 0,7 / S 0,7 / S PI V 0 = N = 4 u 0,35 / S,2 g 0,7 / S 2,3 u g PID V 0 = N = v = 0,95 /S 2,4 u 0,42 u g 0,5 u,2 / S 2 u 0,42 u 0,95 / S,35 g 0,47 u instellregeln für t -P -Strecken mit bekannten Parametern,, t nach Ziegler und Nichols Regler k PR n V P PI PID t ,9 t 33, t ---,2 t 2 t 05, t s_lh_.doc Nur zum Gebrauch an der Hochschule München, Fk 05 VSG Pae

3 Prof. Dr. H. Paerschke, Hochschule München Fk 05 / VSG Zuluft-Kaskadenregelung Seite 3 Anlagenschaltbild Luftheizungsanlage mit Abwärmetauscher: abelle : ϑ a W Stellgröße m 2 ϑ v Messgröße ϑ L ϑ i Messgröße 2 y =Hub M A AB B Störgröße m ϑ k Hydraulische Schaltung Simulationsmodell für Luftheizung mit Strecken- und Störverhalten: z = Δϑ a Ab-W k Z = Störstrecke k Z2 = Rohrlei- rhitzer Kanal t = k s = t = t = k s2 = Kanalfühler füh- k F = k F = s_lh_.doc Nur zum Gebrauch an der Hochschule München, Fk 05 VSG Pae

4 Prof. Dr. H. Paerschke, Hochschule München Fk 05 / VSG Versuch Kaskadenregelung Seite 4 temperatur-regelung Zulufttemperatur-Regelung Kaskadenregelung ϑ Lsoll =w =y 2 R R 2 w = ϑ Lsoll w x = ϑ Rsoll y y - w k R x w PI-Regler: y = ϑ Lsoll =w =y 2 w 2 = ϑ Rsoll abelle 2: Regelkreis u temperatur- Regelung mit P-Regler temperatur- Regelung mit PI-Regler g S u g = V = x 0 = S instellregeln nach Hien, Hrones und Reswick V = = k N k 0 PR PS - Zulufttemperatur- Regelung, Hilfsregler PI t instellregeln nach Ziegler und Nichols Kaskade, Hauptregelung mit PI-Regler s_lh_.doc Nur zum Gebrauch an der Hochschule München, Fk 05 VSG Pae

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