Regelungstechnik 1 Praktikum Versuch Unterschied zwischen Steuerung und Regelung Reglereinstellung mittels Schwingversuch

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1 Regelungstechnik 1 Praktikum Versuch nterschied zwischen Steuerung und Regelung Reglereinstellung mittels Schwingversuch Die Aufgabe der Regelungstechnik besteht im weitesten Sinne darin, einen bestimmten Anlagenzustand herzustellen und diesen trotz Einwirkung von Störungen beizubehalten. Dies erfordert den Einsatz von zusätzlicher Hard- und/oder Software, die die gewünschten Zustandsänderungen durchführt (Führungsverhalten) und auf das System wirkende Störungen ausgleicht (Störverhalten). Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines solchen Systems: Störgröße Z Information Regelung/ Steuerung Stellgröße Strecke Regelgröße Bild 1.1: Blockschaltbild eines geregelten/gesteuerten Systems m eine solche Aufgabe zu lösen, gibt es zwei Möglichkeiten: mittels einer S T E E R N G oder mittels einer R E G E L N G. Wesentliches Merkmal einer Steuerung ist ein offener Wirkungsablauf, bei dem keine Information über die Zielgröße (Regelgröße) zurückgeführt wird. Die Zielgröße trotz Auftretens von Störungen möglichst konstant zu halten, ist nur möglich, wenn die Störungen meßbar sind und sie bei der Ermittlung der Stellgröße berücksichtigt werden. Wesentliches Merkmal einer Regelung ist die Rückführung der Regelgröße, um sie mit der Führungsgröße (Sollwert) zu vergleichen. Die Soll-/Istwertabweichung (Regeldifferenz) wird einem Regler zurückgeführt. Dieser versucht daraufhin, über die Stellgröße den Prozeß so zu beeinflussen, daß die Regeldifferenz zu Null gemacht wird. Dies ist auch möglich bei Auftreten mehrerer Störungen. Eine Messung der Störungen ist nicht erforderlich. An der elektrischen Nachbildung eines Durchlaufofens in Bild 1.2 sollen diese beiden unterschiedlichen Methoden demonstriert und auf ihre Wirksamkeit untersucht werden. Eingänge sind gelb, Ausgänge sind blau gekennzeichnet. Buchsen zum Messen sind grün. Zum Anzeigen der für K eingestellten Werte muss die entsprechende Taste neben den Einstellpotis für das entsprechende K gedrückt werden. Damit die Ausgänge freigeschaltet werden, muss der Taster jedoch wieder losgelassen werden.

2 Regelungstechnik 1 Praktikum Versuch 1.2 Volt Proportionalitätskonstante, NICHT Kelvin Materialdurchsatz (Störgröße Z) Bild 1.2: Aufbau des Versuches Z. M Thyristorsteller Pyrometer ein. M Waage Bild 1.3: Schematischer Aufbau des Gesamtsystems

3 Regelungstechnik 1 Praktikum Versuch 1.3 In Bild 1.3 ist das Schema des Durchlaufofens abgebildet. Von einem Förderband wird Material langsam durch einen transportiert und dabei erwärmt. Am Ende des s ist eine bestimmte Materialtemperatur gewünscht. Je nach Größe der geforderten Materialtemperatur ist eine unterschiedlich große Wärmemenge erforderlich, also eine veränderbare Heizleistung. In der Praxis wird der Materialdurchsatz nicht immer gleichmäßig erfolgen können. Im vorliegenden Fall sind nur die beiden Extremfälle möglich: Trichter zu Materialdurchsatz 0 oder Trichter auf Materialdurchsatz 100 % nterschiedliche Mengen werden auch unterschiedlich stark aufgeheizt, so daß sie sich störend auf die Materialtemperatur auswirken. Der Materialdurchsatz ist demnach eine Störgroße. Die im durchlaufenden Material erzielte Temperatur hängt ab: 1. von der Temperatur der Heizwicklung. Diese kann mittels eines Thyristorstellers verändert werden. Somit ist die Größe der Thyristoraussteuerung bzw. Heizspannung ein Maß für die zugeführte Heizleistung. 2. von der Verzweilzeit im. Durch eine variable Bandgeschwindigkeit ließe sich hier eine weitere Stellmöglichkeit schaffen. Da im vorliegenden Fall die Bandgeschwindigkeit konstant ist, ist auch die Verweildauer konstant. 3. von der in der Zeiteinheit durchlaufenden Materialmenge, dem Durchsatz M. 4. von der Materialtemperatur ein am Eingang des s. Material, das mit einer höheren Temperatur in den kommt, wird bei gleicher Heizleistung am Ausgang eine höhere Temperatur angenommen haben als Material, das mit einer niedrigeren Temperatur in den gebracht wird. m das Verhalten der Materialaufheizung in dem untersuchen zu können, müssen die interessierenden Zustände am Offen gemessen werden können. Hierzu sind folgende Meßgeräte vorgesehen: Technische Größe Meßgerät Formelzeichen mrechnungsfaktor Regelungstechnische Größe Formelzeichen Materialtemperatur Pyrometer K = 0,01 V/K Regelgröße Heizspannung Spannungsmesser K = 1 V/V Stellgröße Materialdurchsatz M Waage K MZ = 0,1 V/% Störgröße Z Z K MZ. M ein Strecke K K Bild 1.4: Blockschaltbild des Systems

4 Regelungstechnik 1 Praktikum Versuch Versuchsdurchführung 2.1 Aufnahme des Kennlinienfeldes Die Materialtemperatur hängt somit von 3 Größen ab ( ein, M, ). Es gilt nun festzustellen, wie stark diese Größen sich jeweils auf die Ausgangstemperatur auswirken. Dazu sind 10 Messungen erforderlich, wobei jeweils eine Größe verändert wird, während die beiden anderen Größen konstant gehalten werden müssen. Mit ein = konstant, = 1, 2, 3, 4, 5 V (durch den Sollwertgeber einstellbar) und M = 0, 100 % ist das Kennlinienfeld = f(,m ) aufzunehmen. 2.2 Ermittlung der linearisierten Beziehung Zeichnen Sie das Kennlinienfeld = f(,m 0) und erweitern Sie es auf ein Kennlinienfeld = f(,z) durch geeignet skalierte zusätzliche Achsen. Stellen Sie die linearisierte Beziehung x = K y - K Z z auf. Achtung: Beachten Sie im Folgenden die Verwendung von Groß- und Kleinbuchstaben für die Signale. 2.3 Steuerung des Durchlaufofens Stellen Sie den Arbeitspunkt = 500 C, M 0 = 0 % ein und ermitteln Sie 0 bzw. 0. Dieser Arbeitspunkt wird für den gesamten Versuch beibehalten. Am vorliegenden Durchlaufofen soll die Wirkungsweise der Steuerung für den Fall untersucht werden, bei dem die Eingangstemperatur des Materials vernachlässigt wird. Die Parameter des Sollwertgebers K 1 und K 2 sind mit Berücksichtigung K und K Z zu berechnen. Der Sollwertgeber ist entsprechend einzustellen. z w K 2 K 1 y K Z K _ + x Bild 2.1: Blockschaltbild für die Steuerung des linearisierten Durchlaufofens Folgende Beziehungen gelten zur Auswahl von K 1 und K 2 für das Steuerungsmodell. Dabei müssen K 1 und K 2 so gewählt werden, daß für alle auftretenden Werte von z gilt: x = w. Mit folgt aus obiger Gleichung für beliebige und Z = z K 2 y 0 w K 1 Steuerung Bild 2.2: Blockschaltbild der Steuerung

5 Regelungstechnik 1 Praktikum Versuch Mit den in 2.2 ermittelten Werte für K und K Z berechnen Sie K 1 und K 2. Diese Werte sind einzustellen. 2. Stellen Sie den Arbeitspunkt ein. Die Temperatur des s ist um den Arbeitspunkt herum ist mit dem Sollwertgeber w einstellbar. ntersuchen Sie für w = 0 und w = 200 K und den möglichen Einstellwerten für z die Abweichung zwischen und W. 2.4 Regelung des Durchlaufofens Hier soll das Gesamtergebnis (Istwert ), bestehend aus dem Anteil der Heizung (), dem Anteil der Grundheizung ( ein ) und dem Anteil für den schwankenden Durchsatz (Z) auf den vorgegebenen Sollwert gebracht werden. Es sind zwei Versuchsreihen durchzuführen. Z W = 0+ w _ x Regler y 0 Bild 2.3: Blockschaltbild des Regelkreises Regelung des Durchlaufofens mit P-Regler 1. Sollwert w = 0 stellen, Durchlaufmenge auf 0 % schalten, Arbeitspunkt einstellen 2. Regler auf "P" stellen (Block 2 verwenden), die Regelkreisschaltung herstellen 3. Einstellen des Reglers auf den Wert 0,8 4. Durchlaufmenge auf 100 % schalten und abwarten, bis stationäres Verhalten eingetreten ist, Regelabweichung bestimmen 5. Durchlaufmenge auf 0 % schalten, Sollwert w = 200 K einstellen und abwarten, bis stationäres Verhalten eingetreten ist, Regelabweichung bestimmen Regelung des Durchlaufofens mit I-Regler 1. Sollwert w = 0 stellen, Durchlaufmenge auf 0 % schalten, Arbeitspunkt einstellen 2. Regler ist auf "I" zu stellen (Block 2 verwenden, die Regelkreisschaltung herstellen) 3. Einstellen des Reglers mittels Schwingversuch (zur Durchführung des Schwingversuches siehe Regelungstechnik 1 Praktikum Versuch 3). 4. Durchlaufmenge auf 100 % schalten und abwarten, bis stationäres Verhalten eingetreten ist, Regelabweichung bestimmen 5. Durchlaufmenge auf 0 % schalten, Sollwert w = 200 K einstellen und abwarten, bis stationäres Verhalten eingetreten ist, Regelabweichung bestimmen

6 Regelungstechnik 1 Praktikum Versuch Ausarbeitung 1. Stellen Sie die Ergebnisse tabellarisch bzw. graphisch dar. 2. Zeichnen Sie die Reglerkennlinien ein. 3. Welches sind die rsachen für eventuell auftretende Abweichungen? Können bei diesem Steuermodell auch weitere eventuell noch auftretende Störungen kompensiert werden? 4. Ermitteln Sie die Regelfaktoren zu den Teilversuchen und Welche Regelfaktoren ergäben sich theoretisch bei Anwendung der linearisierten Beziehungen. 5. Vergleichen Sie Ergebnisse von Steuerung und Regelung (Teilversuche 2.3 und 2.4) miteinander. Diskutieren Sie Vor- und Nachteile beider Einstellungen. 6. Bei welchem Teilversuch ergeben sich Abweichungen zwischen Soll - und Istwert? 7. Wie sind Steuerung und Regelung zu beurteilen, wenn man sie betrachtet unter dem Aspekt der Anpassung des Istwertes an den Sollwert und unter dem Aspekt des Aufwandes bei der Instrumentierung?