MESSEN, STEUERN, REGELN

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1 MESSEN, STEUERN, REGELN KATALOG T8

2 MESSEN STEUERN REGELN Inhalt T 8.3 Industrielle Regelungstechnik Grundlagen der Regelungstechnik T 8.1 Messtechnik & Sensorik MSR-Technik Messen, Steuern und Regeln sind Begriffe aus dem Bereich der Automatisierung. Das Ziel ist die Überwachung und Bedienung technischer Vorgänge und Produktionsverfahren durch selbsttätig ablaufende Regelungssysteme. So befreien maschinelle Regler den Menschen von monotoner Kontroll- und Bedienarbeit. Oft stellen technische Systeme aber auch Anforderungen an die Genauigkeit, Schnelligkeit und Zuverlässigkeit, die von Menschen nicht erfüllt werden können. Die sich schnell ausbreitende Automatisierung erfordert heute in vielen Ausbildungsberufen fundierte Kenntnisse über Sensoren und den Umgang mit Regelkreisen. Die MSR-Technik von trägt dieser Entwicklung Rechnung. Der vorliegende Gesamtkatalog T8 Messen, Steuern & Regeln präsentiert unser ausgedehntes Produktspektrum auf neuestem, technischen Stand. Die nach Lernfeldern zusammengestellten Ausstattungen enthalten das Material gegliedert nach Grundlagen und industriellen Anwendungen. Die Versuche werden in der Regel mit modularen Experimentierplatten oder Multimedia-Trainingskursen durchgeführt. Seite 2 von 96

3 MESSEN STEUERN REGELN Inhalt Lehrsysteme 4 Technische Details 6 Messtechnik und Sensorik 11 Die Ausstattungen zu Messtechnik und Sensorik vermitteln Fähigkeiten zur Messung der elektrischen Grundgrößen: Strom, Spannung, Frequenz, etc. sowie Kenntnisse über die Funktion von Sensoren: Kraft, Temperatur, Drehzahl, Druck etc. Ein wichtiger Baustein im Bereich Messtechnik ist der aktuelle COM3LAB-Kurs Sensorik. Grundlagen der Regelungstechnik 27 Dieser Bereich enthält Ausstattungen für alle Ausbildungsberufe die Grundlagen oder vertiefte Kenntnisse der Regelungstechnik erfordern. In den Versuchen werden technische Modelle und elektronische Strecken mit digitaler Bedienung eingesetzt. Industrielle Regelungstechnik 65 Der Bereich Industrielle Regelungstechnik ist völlig überarbeitet. Neben einer optimierten, pneumatischen Instrumentierung ist hier besonders die Integration von CASSY LAB 2 von großem Nutzen. Ausstattungen 86 Stichworte 92 In diesem Katalog verwendete Symbole und Abkürzungen: Versuchsliteratur in der Ausstattung enthalten Software in der Ausstattung enthalten Zubehör erforderlich Batterie erforderlich Ausstattung ist COM3LAB kompatibel USB-fähig Seite 3 von 96

4 MESSEN STEUERN REGELN Lehrsysteme Steckelemente und Experimentierplatten Die in diesem Katalog beschriebenen Lehrsysteme lassen sich drei Klassen zuordnen: STE- Steckelemente Elektrik /Elektronik TPS - Training Panel System COM3LAB-Multimedia STE Steckelemente Elektrik /Elektronik Das von LD DIDACTIC entwickelte Stecksystem ist ein bewährtes Experimentierprogramm für die Elektrik und Elektronik. In den durchsichtigen Gehäusen der Steckelemente sind die elektrischen und elektronischen Bauteile gebrauchsfertig montiert und gegen mechanische Beschädigungen von außen geschützt. Durch das transparente Unterteil ist das Originalbauteil sichtbar. TPS - Training Panel System Lehrsysteme auf der Basis von Experimentierplatten bieten im Labor und im Demonstrationsunterricht viele Vorteile: Übersichtliche Darstellung Blockschaltbilder und Schaltzeichen nach DIN und IEC Verbindungen durch 19 mm Brückenstecker Industrielle Bauelemente und Komponenten für realistische Messergebnisse Sicherheitsbuchsen und Kabel Hoher Grad an Kompatibilität zu den Lehrsystemen STE/SIM und COM3LAB Fortlaufende, thematische Erweiterungen Seite 4 von 96

5 MESSEN STEUERN REGELN Lehrsysteme COM3LAB-Multimedia Theorie und Praxis gebündelt in einem Soft- und Hardwarepaket COM3LAB ist eine Multimedia-Lehrsoftware für die Aus- und Weiterbildung in technischen Berufen mit dem Schwerpunkt Elektrotechnik und Elektronik. COM3LAB vermittelt den Lehrstoff sowohl theoretisch als auch praktisch anhand realer Experimente. COM3LAB besteht aus einer Master Unit und verschiedenen Kursplatinen (Experimentierboard + CD-ROM). Die Master Unit ist das Basisgerät, über das Software und Experimentierboard miteinander kommunizieren. Mehr Informationen zu den in diesem Katalog enthaltenen COM3LAB-Komponenten finden Sie im COM3LAB-Systemkatalog. Seite 5 von 96

6 MESSEN STEUERN REGELN Technische Details Neues aus der Regelungstechnik Der Themenbereich MSR-Technik präsentiert sich in völliger Neugestaltung. Die komplett neuentwickelte und modernisierte Elektronik der Geräte ist auf neuestem technischen Stand. Moderne offset- und driftarme Bausteine liefern präzise Ergebnisse. Digitale Komponenten mit Inkrementalgebern vereinfachen die Einstellung der Geräte. Das gibt mehr Zeit zum Experimentieren, da zeitraubende Kalibrierungen entfallen. Die konsequente Integration des Profi-CASSY und der Einsatz der CASSY Lab 2 Software erleichtern die Durchführung und Auswertung der Versuche. Mühsame Einstellarbeiten an Strecken und Reglern und die daraus resultierenden Ungenauig-keiten gehören der Vergangenheit an. Für alle in diesem Katalog beschriebenen Ausstattungen gibt es neue Versuchshandbücher auf elektronischer Basis. Ein Klick in die Beispieldateien genügt und Profi-CASSY startet automatisch die Messwertaufnahme. Viele Komponenten besitzen digitale Einsteller. Das macht das Einstellen von Parametern kinderleicht. Einmal eingestellt, treten keine ungewollten Veränderungen der Parameter ein. Die Parameterwerte sind während des Versuchs immer sichtbar. Die Inbetriebnahme ist intuitiv einfach. Seite 6 von 96

7 MESSEN STEUERN REGELN Technische Details Komponenten mit inkrementalen Drehgebern Digitale Regelstrecke ( ) Proportionale Regelstrecke, zeitverzögert bis 2. Ordnung integrierend oder doppelt integrierend. Das Totzeitglied ( ) Element mit proportionalem Verhalten und einstellbarer Totzeit (max. 1 s). Auch interessant zur Aufnahme von Frequenzgängen. Der Zweipunktregler ( ) Ein klassischer Regler für langsame Regelstrecken, z.b. bei Temperaturregelungen. Das Übertragungsglied 2.Ordnung ( ) Ein schwingfähiges System 2. Ordnung, Frequenz und Dämpfung einstellbar. Seite 7 von 96

8 MESSEN STEUERN REGELN Technische Details CASSY-Interfaces und CASSY Lab 2 Die CASSY Familie besteht aus verschiedenen Hardwarekomponenten und der speziellen Betriebssoftware CASSY Lab 2. CASSY Lab 2 CASSY Lab 2 ist eine moderne 32-Bit-Software, einsetzbar für Windows XP/Vista/7 mit folgenden Eigenschaften: Messdatenaufnahme Multimeter Oszilloskop XY-Schreiber FFT-Analyse Vielfältige Auswertemöglichkeiten Export der Messdaten und Diagramme Seite 8 von 96

9 MESSEN STEUERN REGELN Technische Details CASSY-Interfaces und CASSY Lab Sensor-CASSY 2 Das Interface mit erweiterten Messbereichen für: T 8.1 Messtechnik und T 8.3 Industrielle Regelungstechnik. Sensor-CASSY 2 ist ein kaskadierbares Interface zur Messdaten-aufnahme mit folgenden Eigenschaften (Auswahl): galvanisch getrennte Eingänge automatische Sensorboxerkennung durch CASSY Lab 2 (plug and play) mikrocontrollergesteuert mit CASSY-Betriebssystem variabel aufstellbar als Tisch-, Pult- oder Demogerät Profi-CASSY Das Interface mit analogen Ein- und Ausgängen für Anwendungen in der Regelungstechnik: Grundlagen der Regelungstechnik T 8.3 Industrielle Regelungstechnik Profi-CASSY ist das Interface für den speziellen Einsatz in der Regelungstechnik und Automatisierung. Ausgestattet mit USB und PROFIBUS-Schnittstelle lässt sich das Profi-CASSY in ein Netzwerk einbinden. Zwei analoge Ein- und Ausgänge sowie 16 digitale Ein- und Ausgänge ergänzen sich mit der PROFIBUS- Schnittstelle zu einem Allrounder in der Interface-Welt. Profi- CASSY ist ideal für die Einbindung in SPS, COM3LAB, Mechatronik oder von Frequenzumrichtern. Profi-CASSY arbeitet unter verschiedenen Anwendungsprogrammen z.b.: WinFACT CASSY Lab 2 Seite 9 von 96

10 MESSEN STEUERN REGELN Seite 10 von 96

11 MESSTECHNIK & SENSORIK T 8.1 Messtechnik und Sensorik Seite 11 von 96

12 MESSTECHNIK & SENSORIK T 8.1 Messtechnik und Sensorik Gliederung T COM3LAB-Multimedia: Messtechnik T Messen nichtelektrischer Größen T Messen elektrischer Größen Seite 12 von 96

13 MESSTECHNIK & SENSORIK T 8.1 Messtechnik & Sensorik Gliederung MSR ist ein interdisziplinäres Thema mit weiter Verbreitung in der modernen Industriegesellschaft. So benötigen Industrie und Transportwirtschaft Kenntnisse über die Energie-, Masse- und Verkehrsströme in Produktion und Logistik. Die Welt wird enger und braucht intelligente Verfahren zur Steuerung und Verteilung ihrer Ressourcen. Dabei sind Sensoren unverzichtbar. Sie liefern die zur Steuerung der Prozesse benötigten Daten. T Messen elektrischer Größen Durch einfaches Auswechseln von Steckelementen (STE) kann der Einfluss der passiven Komponenten auf Strom und Spannung dargestellt werden. Mit STE können Schaltungen nach eigenen Ideen verändert und ausprobiert werden. T Messen nichtelektrischer Größen Kraft und Temperatur sind bekannte Beispiele für nichtelektrische Größen, die zur Weiterverarbeitung in elektrischen Steuerungen oder Regelungen umgewandelt werden müssen. Die Lehrsysteme dieser Gruppe arbeiten größtenteils mit Experimentierplatten (TPS). Bei der Stückguterfassung werden Industriesensoren eingesetzt. Der innere Aufbau der Sensoren bleibt dem Anwender verborgen. Dafür sind die Sensoren auf den speziellen Anwendungsfall optimiert. T COM3LAB-Multimedia: Messtechnik In der kompakten Form der LD-Multimedia-Trainingskurse werden Prinzipien zur Messung elementarer elektrischer und nichtelektrischer Größen untersucht. Dem wichtigen Thema Sensorik ist ein eigener COM3LAB-Kurs gewidmet (700 84). Bei diesem Kurs liegt der Schwerpunkt auf der Messung nichtelektrischer Größen. Seite 13 von 96

14 MESSTECHNIK & SENSORIK T Messen elektrischer Größen Versuchsaufbau mit dem bewährten Stecksystem Elektrik / Elektronik (STE). Themen DC und AC Messungen, Messung an hochohmigen Quellen Messbereichserweiterungen Impedanzwandler Instrumentenverstärker Einpuls- und Messgleichrichter F/U-Wandlung, AC-Wandlung Spitzenwertmessung Exponentielle und logarithmische Spannungsmessung Seite 14 von 96

15 MESSTECHNIK & SENSORIK T Messen elektrischer Größen U A V 10 Strom und Spannung sind elektrische Größen und müssen nicht durch Sensoren aus den primären Messgrößen erzeugt werden. Die elektrische Messtechnik gehört damit zu den Grundlagen der allgemeinen Elektrotechnik. In diesem Praktikum werden die Messschaltungen mit dem Stecksystem STE aufgebaut Durch den Einsatz von Profi- CASSY und CASSY Lab 2 Software kann die elektrische Leistung oder Energie als Momentan- oder Mittel-wert dargestellt werden. t / s AUSSTATTUNGSLISTE T Messen elektrischer Größen Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung N Grundausstattung STE AC/DC-Konstanter S CASSY 2-Starter USB Buch: Elektronische Messgeräteschaltungen STE Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 15 von 96

16 MESSTECHNIK & SENSORIK T Messen nichtelektrischer Größen Ausstattungen T Temperaturmessung T Erfassung von Stückgut T Kraftmessung mit DMS Seite 16 von 96

17 MESSTECHNIK & SENSORIK T Messen nichtelektrischer Größen Ausstattungen T Kraftmessung mit DMS Die Widerlager von Brücken werden mit DMS überwacht. Das Arbeiten mit DMS im Labor ist ein sehr didaktisches Beispiel zur Umwandlung der mechanischen Größe Kraft in elektrische Signale. Zusammen mit CASSY Lab 2 eignet sich der Versuch besonders zur Demonstration mit einem Projektor. Claus Schmidt / pixelio.de T Erfassung von Stückgut Ein praxisorientierter Kurs auf der Basis industrieller Sensoren. Die Sensoren dienen der Materialerkennung und können bei geeigneter Anordnung Stückgut auf Transportbändern erkennen. Martina Braun-Rotmann / pixelio.de T Temperaturmessung Die Temperatur bestimmt die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und beeinflusst grundlegende Eigenschaften von Werkstoffen. Physikalische Größen wie Druck, Konzentration, Dichte, ph-wert, Durchflussgeschwindigkeit etc. hängen direkt von der Temperatur ab. In der Prozesstechnik ist die Temperatur damit eine Zustandsgröße von hohem Stellenwert. Dieter Schütz / pixelio.de Seite 17 von 96

18 MESSTECHNIK & SENSORIK T Messen nichtelektrischer Größen T Kraftmessung mit DMS Versuchsaufbau mit Biegebalken und Messuhr Themen Umsetzung der mechanischen Größe Kraft in elektrische Signale Funktion und Abgleich von Messbrücken Messungen nach dem 4-Leiterprinzip Seite 18 von 96

19 MESSTECHNIK & SENSORIK T Messen nichtelektrischer Größen T Kraftmessung mit DMS Die Kraftmessung mit DMS ist ein weitverbreitetes Verfahren zur Umwandlung einer mechanischen Größe in elektrische Signale. Der Anwendungsbereich reicht von modernen elektronischen Waagen in Industrie und Haushalt bis zur Lastkontrolle an Bauwerken und Großfahrzeugen. Das LD Trainingssystem untersucht die Umwandlung von: Biegekräften Zugkräften und Torsionsspannungen. F N m / g Zusammenhang zwischen der belastenden Masse m (horizontale Achse) und der gemessenen Gewichtskraft F (vertikale Achse). AUSSTATTUNGSLISTE T Kraftmessung mit DMS Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung DMS-Aufnehmer Zugstab Torsionsstab Messuhr S2 Profi-CASSY-Starter 2 USB DC-Brückenverstärker Satz 7 Wägestücke, 0.1 kg bis 2 kg Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 19 von 96

20 MESSTECHNIK & SENSORIK T Messen nichtelektrischer Größen T Erfassung von Stückgut Themen Auswahl eines Sensors nach den Materialeigenschaften der Probe Alarmschaltung mit Sensoren Aufbau einer Sensorkette zur Ermittlung von Materialparametern Seite 20 von 96

21 MESSTECHNIK & SENSORIK T Messen nichtelektrischer Größen T Erfassung von Stückgut Die Ausstattungen dieses Trainingssystems enthalten eine große Auswahl echter Industriesensoren. Die Themen sind sehr praxisorientiert und werden mit einer umfangreichen Teach- und Trainingssoftware dargestellt. Eine Auswahl verschiedener Materialproben erlaubt eine gezielte Zuordnung der Sensoren zu realen verfahrenstechnischen Prozessen. Ein typischer Industriesensor auf Montageplatte mit praktischem Schnellverschluss. AUSSTATTUNGSLISTE T Erfassung von Stückgut Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung Grundbausatz Sensorik Erweiterungssatz Sensorik Materialprobenkoffer Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 21 von 96

22 MESSTECHNIK & SENSORIK T Messen nichtelektrischer Größen T Temperaturmessung Temperaturmessung mit verschiedenen industriellen Messfühlern Themen Kennlinie der Temperaturregelstrecke Temperaturregelung mit Zweipunktregler Temperaturregelung mit WinFACT Zweipunktregler mit verzögerter Rückführung Seite 22 von 96

23 MESSTECHNIK & SENSORIK T Messen nichtelektrischer Größen T Temperaturmessung Didaktische Regelstrecken mit großen Zeitkonstanten sind im Unterricht schlecht zu regeln. Die Regelvorgänge dauern zu lange. Auf der anderen Seite erfordert die Messtechnik auch Kenntnisse im Umgang mit industrieüblichen Messsonden. Aus diesem Grund arbeitet die Temperaturmessung mit einem speziellen Ofen ( Ofenmodell), der die hohe Temperaturen für die Sensoren erreicht (ca. 200 C). Seine Zeitkonstante beträgt etwa 10 min. Zur Regelung der Temperatur wird deshalb eine schnelleres System untersucht. Auf hohem Temperaturniveau werden Aufheiz- und Abkühlkurven von Industriesensoren gemessen und verglichen. In diesem Lehrsystem werden folgende Temperatursensoren untersucht: Thermoelement Widerstandsthermometer (Pt-100) Heißleiterfühler (NTC) AUSSTATTUNGSLISTE T Temperaturmessung Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung Führungsgrößengeber Leistungsverstärker Ofenmodell 20 V, 20 W NiCr-Ni-Thermoelement Thermoelement-Anschluss Pt-100-Widerstandsthermometer NTC-Temperaturfühler DC-Brückenverstärker S2 Profi-CASSY-Starter 2 USB Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 23 von 96

24 MESSTECHNIK & SENSORIK T COM3LAB-Multimedia: Messtechnik Themen (Auswahl) Elektrotechnische Grundgesetze Transformatoren, Gleichrichter Kenngrößen des Wechselstroms Kraft, Druck, Weg, Geschwindigkeit Temperatur, Helligkeit Seite 24 von 96

25 MESSTECHNIK & SENSORIK T COM3LAB-Multimedia: Messtechnik Messtechnik mit COM3LAB Die in dieser Ausstattung zusammengefassten COM3LAB Kurse vermitteln die Grundgesetze der Elektrotechnik und trainieren die Messung elektrischer Größen wie Spannung, Strom und Widerstand. COM3LAB-Versuche werden mit bereits vorbereiteten Schaltungen durchgeführt. Die gezielte Versuchsführung zusammen mit ihrer didaktischen Multimedia-Unterstützung vermitteln in jeder Lerneinheit Experiment und die zugehörige Theorie gemeinsam. Der COM3LAB-Kurs Sensorik untersucht die Messung nichtelektrischer Größen. Er verfügt über viele wichtige Konverter wie z.b.: Biegebalken mit DMS Temperatursensoren Pt-100, NTC, KTY, Peltier-Element Fotodiode Reedkontakte usw. Arbeiten mit COM3LAB-Kursen bedeutet multimediales Lernen mit realen Experimenten. Die Versuchsschaltungen sind bereits fertig montierte Funktionsmodule. Das macht das Experimentieren schnell und effektiv. AUSSTATTUNGSLISTE T COM3LAB-Multimedia: Messtechnik Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung COM3LAB-Kurs: Gleichstromtechnik I COM3LAB-Kurs: Gleichstromtechnik II COM3LAB-Kurs: Wechselstromtechnik I COM3LAB-Kurs: Wechselstromtechnik II COM3LAB-Kurs: Sensorik Master Unit Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Umfassende Informationen zu COM3LAB-Produkten finden Sie im COM3LAB-Systemkatalog oder im Internet. Seite 25 von 96

26 MESSTECHNIK & SENSORIK Seite 26 von 96

27 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK Grundlagen der Regelungstechnik Seite 27 von 96

28 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK Grundlagen der Regelungstechnik Gliederung.8 COM3LAB-Multimedia: Regelungstechnik.7 Stabilität und Optimierung.6 Messung von Frequenzgängen.5 Digitale Regelung.4 Module und Übertragungsglieder.3 Regelung elektronischer Strecken.2 Fuzzy-Regelung.1 Regelung technischer Strecken Seite 28 von 96

29 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK Grundlagen der Regelungstechnik Gliederung.1 Regelung technischer Strecken Technische Regelstrecken liefern nichtelektrische Regelgrößen wie z.b. Füllstand, Temperatur, Durchfluss, Krängungswinkel etc. und erfordern daher eine Sensorik zur Umsetzung der jeweiligen Regelgröße in elektrische Signale. Versuche mit technischen Strecken sind besonders didaktisch..2 Fuzzy-Regelung Die Fuzzy-Regelung ist ein regelbasiertes Expertensystem zur Lösung von Regelungsaufgaben ohne komplizierte Mathematik. Der Regelalgorithmus wird im PC erstellt und greift über ein Interface auf die reale Regelstrecke zu..3 Regelung elektronischer Strecken Elektronische Regelstrecken erfordern keine zusätzliche Sensorik, weil im Regelkreis nur elektrische Signale auftreten. Da elektrische Signale leicht zu messen sind, zeichnen sich die Versuche mit elektronischen Strecken durch überzeugende quantifizierbare Ergebnisse aus..4 Module und Übertragungsglieder In dieser Ausstattung werden Regler und Strecken aus den elektronischen Grundbausteinen P-, I-, D-Glied sowie Summationspunkten zusammengesetzt..5 Digitale Regelung Im Unterschied zu einem festverdrahteten Hardware-Regler werden hier die Regler entweder als Blockstruktur oder als mathematisches Modell im Rechner abgelegt. Die Kommunikation mit der realen Umwelt erfolgt durch ein Interface..6 Messung von Frequenzgängen Regelkreise können im Zeitbereich und im Frequenzbereich untersucht werden. Während im Zeitbereich meistens Sprungantworten diskutiert werden, interessieren im Frequenzbereich das Bode-Diagramm oder die Ortskurve. Ein Praktikum für fortgeschrittene Studenten, das als Messobjekt ausschließlich elektronische Strecken untersucht..7 Stabilität und Optimierung Ein optimaler Regelkreis muss ohne Einwirkung äußerer Einflüsse stabil sein. Nach Einwirken einer Störung soll der Regelkreis schnell und ohne große Abweichungen vom Normalbetrieb wieder in den Ursprungszustand zurückfinden. Das Thema kann sowohl mit elektronischen als auch mit technischen Strecken bearbeitet werden..8 COM3LAB-Multimedia: Regelungstechnik In kompakter Form führen zwei COM3LAB-Kurse umfassend in die experimentelle Regelungstechnik ein. Zusätzlich erforderlich für das Verständnis elektronischer Regelkreise sind Kenntnisse über Operationsverstärker und Sensorik. Seite 29 von 96

30 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken Ausstattungen.1.7 Krängungsregelung.1.6 Drehzahl- und Spannungsregelung.1.5 Helligkeitsregelung.1.4 Durchflussregelung von Gasen.1.3 Füllstand Messung und Regelung.1.2 Durchfluss Messung und Regelung.1.1 Temperaturregelung Seite 30 von 96

31 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken Ausstattungen Der Bereich Regelung technischer Strecken bildet einen Schwerpunkt im Lehrsystem Grundlagen der Regelungstechnik. Die hier aufgezählten Ausstattungen sind immer zentral um eine technische Regelstrecke konzipiert..1.1 Temperaturregelung.1.2 Durchfluss Messung und Regelung.1.3 Füllstand Messung und Regelung.1.4 Regelung des Gasflusses.1.5 Helligkeitsregelung.1.6 Drehzahl- und Spannungsregelung.1.7 Krängungsregelung Die Reaktionsgeschwindigkeit eines Systems auf Zustandsänderungen wird durch seine Zeitkonstanten bestimmt. Technische Systeme können dabei deutlich verschiedene Zeitkonstanten besitzen. Es gilt folgende grobe Einteilung: Temperatur: Flüssigkeitsdurchfluss: Füllstandshöhe: Drehzahl: Helligkeit: sehr langsam langsam langsam schnell sehr schnell Seite 31 von 96

32 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken.1.1 Temperaturregelung Prozessvisualisierung (SCADA = Supervisory Control And Data Acquisition). Mit WinFACT und Profi-CASSY lassen sich Messgrößen professionell visualisieren. Themen Kennlinie der Temperaturregelstrecke Temperaturregelung mit Zweipunktregler Temperaturregelung mit WinFACT Zweipunktregler mit verzögerter Rückführung Einrichten von Messinstrumenten Kalibrieren von Messinstrumenten Seite 32 von 96

33 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken.1.1 Temperaturregelung Die Regelung der Temperatur von Wohngebäuden, Fahrzeugen oder Werkstücken ist ein klassisches Beispiel für eine Regelung an Systemen mit großen Zeitkonstanten. Die LD-Temperaturregelstrecke wird zusammen mit Zweipunktregler und PID-Regler diskutiert. Sie kann darüber hinaus auch im Bereich der Fuzzy- Regelung.2 genutzt werden. Der Temperatursensor ist bereits intern eingebaut. Ebenso finden sich zur Untersuchung des Störverhaltens ein Ventilator zur Kühlung und eine verschließbare Klappe im Heizungskanal. Anstelle des Ofenmodells aus T Messen nichtelektrischer Größen wird hier die thermisch schnellere Temperaturregelstrecke eingesetzt. Das erhöht die Regeldynamik und verkürzt die Messdauer. AUSSTATTUNGSLISTE.1.1 Temperaturregelung Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung Zweipunktregler Führungsgrößengeber Temperaturregelstrecke Leistungsverstärker S2 Profi-CASSY-Starter 2 USB Software: WinFACT COM3LAB / CASSY-Edition de Buch: Regelung technischer Strecken Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 33 von 96

34 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken.1.2 Durchfluss Messung und Regelung Messung und Regelung von Füllstand und Durchfluss lassen sich gemeinsam an der Flüssigkeitsregelstrecke untersuchen. Themen Sprungantwort der Durchflussstrecke Durchflussregelung mit PID-Regler Durchflussregelung mit WinFACT Seite 34 von 96

35 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken.1.2 Durchfluss Messung und Regelung Füllstand und Durchfluss sind wichtig für die Kfz-Technik und für großtechnische Anwendungen in Produktion und Logistik wie die Petrochemie oder Wasserwirtschaft. Vom Tankschiff über Raffinerien, bis zum Klärwerk: überall müssen Flüssigkeitsdurchsätze erfasst, kontrolliert und korrigiert werden. U A V Der Flüssigkeitsdurchfluss wird mit einem internen Sensor gemessen. Mit der Software CASSY Lab 2 können absolut und relativ anzeigende Durchflussmesser erzeugt werden. Rot: Durchfluss für den Closed Loop Mode (mit eingebautem unterlagerten Regekreis Schwarz: Open Loop t / s AUSSTATTUNGSLISTE.1.2 Durchfluss Messung und Regelung Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung Führungsgrößengeber PID-Digitalregler Flüssigkeitsregelstrecke S2 Profi-CASSY-Starter 2 USB Software: WinFACT COM3LAB / CASSY-Edition de Buch: Regelung technischer Strecken Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 35 von 96

36 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken.1.3 Füllstand Messung und Regelung Messung des Füllstandes im Tank der Flüssigkeitsregelstrecke. Dargestellt ist das Ablaufen von Wasser aus einem Tank für verschiedene Einstellungen des Absperrventils. Eingesetzt wird der Differenzdruckaufnehmer mit angeschlossenem Tauchrohr. Themen Füllstandsregelung mit PID-Regler Füllstandsregelung mit WinFACT Seite 36 von 96

37 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken.1.3 Füllstand Messung und Regelung Das Erfassen von Füllständen in Tanks und Behältern nimmt neben der Messung von Druck, Temperatur und Durchfluss eine wichtige Rolle in der chemischen Industrie ein. Zur Messung der Füllstandshöhe werden verschieden Verfahren eingesetzt. Das LD-Lehrsystem arbeitet mit folgenden Sonden: w V x V Kapazitiv Tauchrohr mit Differenzdruckaufnehmer Niveauschalter mit Schwimmer Die Füllstandsregelung erfordert externe Sensoren zur Erfassung des Flüssigkeitspegels, um mit einem Regelkreis eine vorwählbare Füllstandshöhe aufrecht zu erhalten. t / s AUSSTATTUNGSLISTE ERGÄNZUNG ZU.1.2 Füllstand Messung und Regelung Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung Differenzdruckaufnehmer Tauchrohr de Buch: Regelung technischer Strecken Der Versuch lässt sich auf ein Zwei-Tank-Modell erweitern. Die dort angeführten Sonden können anstelle des Tauchrohrs mit Differenzdruckaufnehmer verwendet werden. OPTION Füllstandsregelung am Zwei-Tank-Modell Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung Zusatzbehälter C/f-, L/f-, und f/u-wandler Kapazitive Stabsonde Niveauschalter mit Schwimmer Kapazitiver Niveauschalter de Buch: Regelung technischer Strecken Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 37 von 96

38 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken.1.4 Durchflussregelung von Gasen Strömungsmessstrecke mit einstellbarem Windgenerator Themen Sprungantwort der Gasdurchflussstrecke Gasdurchflussregelung mit PID-Regler Gasdurchflussregelung mit WinFACT Seite 38 von 96

39 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken.1.4 Durchflussregelung von Gasen Der Gasfluss wird gemessen und in einem klassischen Regelkreis auf dem gewünschten Wert gehalten. Das Anemometer: arbeitet mit Thermokreuz oder mit Thermosensoren. Anwendungen für Durchflussregelungen von Gasen sind: Luftfahrttechnik Kraftfahrzeuge Klimaanlagen. U A V Im Versuch wird die statische Kennlinie eines thermischen Anemometers dargestellt. Der Luftdurchsatz wird gemessen. t / s Durch die Nutzung der Windenergie steigt auch hier der Bedarf an Mess- und Regelungstechnik für strömende Gase. So müssen die wechselnden Windgeschwindigkeiten erfasst und in eine optimale Blattverstellung des Propellers umgesetzt werden (Pitch- Verstellung). Die Gondel selbst muss immer in den Wind gedreht werden, wenn ein maximaler Energieertrag erzielt werden soll. Bigmama / pixelio.de AUSSTATTUNGSLISTE.1.4 Durchflussregelung von Gasen Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung Gebläse Flügelrad-Anemometer (1) Thermisches-Anemometer Führungsgrößengeber PID-Digitalregler S2 Profi-CASSY-Starter 2 USB Software: WinFACT COM3LAB / CASSY-Edition de Buch: Regelung technischer Strecken (): empfohlen Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 39 von 96

40 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken.1.5 Helligkeitsregelung Themen Sprungantwort der Lichtregelstrecke Helligkeitsregelung mit PID-Regler Helligkeitsregelung mit WinFACT Seite 40 von 96

41 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken.1.5 Helligkeitsregelung Die Helligkeitsregelung ist ein praktisches Beispiel für die Regelung schneller Systeme. Regelkreise die auf wechselnde Helligkeit reagieren findet man in biologischen Systemen, Sporthallen, Krankenhäusern, Fotokameras etc.. Die Versuche arbeiten mit einer neu entwickelten Regelstrecke mit extrem kurzer Zeitkonstante. Untersucht werden Führungs- und Störverhalten. Lichtregelstrecke mit Nutzlichtquelle, Störlichtquelle und Lichtsensor. Neue Elektronik mit superhellen LED. AUSSTATTUNGSLISTE.1.5 Helligkeitsregelung Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung Führungsgrößengeber PID-Digitalregler Lichtregelstrecke S2 Profi-CASSY-Starter 2 USB Software: WinFACT COM3LAB / CASSY-Edition de Buch: Regelung technischer Strecken Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 41 von 96

42 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken.1.6 Drehzahl- und Spannungsregelung Themen Sprungantwort eines Maschinensatzes Drehzahlregelung mit PID-Regler und WinFACT Spannungsregelung Aufnahme der Belastungskennlinien Führungs- und Störverhalten der Drehzahlregelung Verlaufsregelung mit CASSY Seite 42 von 96

43 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken.1.6 Drehzahl- und Spannungsregelung Der Maschinensatz 10 W ist eine technische Regelstrecke zur Regelung von Drehzahl und Spannung. Er besteht aus Antriebsmaschine mit digitaler Drehzahlerfassung, Generator und elektronischer Last. Mit der steuerbaren Last ist echter Generatorbetrieb möglich. Es lassen sich die Belastungskennlinien des Generators aufnehmen und das dynamische Verhalten des Maschinensatzes auswerten. Ein Leistungsteil mit Mikroprozessor versorgt die Antriebsmaschine. Es wird daher kein externer Leistungsverstärker benötigt. Der Maschinensatz verfügt über 7-Segmentanzeigen zur Messung von Drehzahl und Drehmoment. n* rpm Optimale Drehzahlregelung am Maschinensatz 10 W Schwarz: Führungsgröße Rot: Regelgröße t / s AUSSTATTUNGSLISTE.1.6 Drehzahl- und Spannungsregelung Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung Führungsgrößengeber PID-Digitalregler Maschinensatz 10 W S2 Profi-CASSY-Starter 2 USB de Buch: Regelung technischer Strecken Software: WinFACT COM3LAB / CASSY-Edition Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 43 von 96

44 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken.1.7 Krängungsregelung Themen Lageregelung mit PID-Regler Lageregelung mit WinFACT Seite 44 von 96

45 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.1 Regelung technischer Strecken.1.7 Krängungsregelung Als Krängung bezeichnet man die Rollbewegung bei Schiffen im Wellengang, oder während der Beladung. Krängung tritt besonders deutlich bei Auffahren schwerer Güterzüge auf Fähren auf. Für Schienenfahrzeuge muss die Auffahrt auf die Fähre frei sein von Knickstellen der Gleise an der Grenzstelle zwischen der Fähre und dem Anleger. Derartige Regelprobleme - rund um die Lagestabilisierung - lassen sich mit der Krängungsregelung untersuchen. Das System kann gleichermaßen mit dem realen PID-Digitalregler ( ) oder einem Software-Regler auf WinFACT-Basis betrieben werden. Ballasttanks dienen dem Ausgleich von Schieflage oder Wellengang. AUSSTATTUNGSLISTE.1.7 Krängungsregelung Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung Führungsgrößengeber Krängungsregelstrecke PID-Digitalregler S2 Profi-CASSY-Starter 2 USB de Buch: Regelung technischer Strecken Software: WinFACT COM3LAB / CASSY-Edition Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 45 von 96

46 y-> GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK Software WinFACT WinFACT ist eine industrienahe Software für die Analyse, Synthese und Simulation konventioneller Regelungen und für die Behandlung von FUZZY- und Neuro-Systemen. WinFACT wird darüber hinaus auch zur Prozessvisualisierung (SCADA) eingesetzt. Die Software ist modular aufgebaut und erlaubt die Modellierung realer Regelkreise. Im dargestellten Beispiel zur Drehzahlregelung einer elektrischen Maschine arbeitet der simulierte WinFACT-Regelkreis mit einem PID-Regler (rote Linien). Parallel zum simulierten Regelkreis gibt es einen zweiten, identisch parametrisierten PID-Regler mit dem Profi-CASSY als Schnittstelle. An das Profi-CASSY wird der reale Maschinensatz angeschlossen (blaue Linien). Die Regelgrößen von realer und simulierter Regelstrecke werden gemeinsam mit der Führungsgröße (schwarze Linien) auf einem Plotter ausgegeben GENERATOR MOTOR Drive 6 Auch andere technische oder elektronische Strecken dieses Kataloges lassen sich mit Hilfe von WinFACT modellieren. Je besser die Übereinstimmung zwischen Simulation und realem Ergebnis, desto besser wird der reale Prozess verstanden t -> Im Lieferprogramm der befinden sich die folgenden Softwarepakete für die experimentelle Regelungstechnik. Bei richtiger Modellbildung für die Strecke liefern realer Versuch und die Simulation den gleichen Verlauf für die Regelgröße (Drehzahl). Zusätzlich soll in beiden Fällen bei optimaler Reglereinstellung die Abweichung von der Solldrehzahl (blaue Kurve) möglichst klein sein. SOFTWAREPAKETE WinFACT Kat.-Nr. Bezeichnung Inhalt WinFACT COM3LAB / CASSY-Edition BORIS 10 Blöcke, Zeitbereich WinFACT LD-Lizenz BORIS 100 Blöcke, Zeitbereich Fuzzy, Optimierung Seite 46 von 96

47 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK Software WinFACT / CASSY Lab 2 Die COM3LAB/CASSY-Edition ist eine reduzierte Einzelplatzlizenz. Sie muss für jeden Arbeitsplatz separat angeschafft werden. Mit der COM3LAB/CASSY-Edition können Regelkreise aus maximal 10 Blockelementen aufgebaut werden. Fuzzy und Optimierung sind nicht enthalten. Das umfangreichere Paket WinFACT LD-Lizenz gestattet die simultane Nutzung auf bis zu 10 Arbeitsplätzen. Neben der Messung, Simulation und Darstellung im Zeitbereich enthält diese Lizenz eine Fuzzy-Shell zum Aufbau von regelbasierten Regelkreisen und ein Optimierungsmodul. Beiden Softwarepaketen werden exklusiv die LD-Treiber für COM3LAB und CASSY sowie die Versuchsbeispiele für WinFACT beigelegt. CASSY Lab 2 CASSY Lab 2 ist die Bedien- und Auswertesoftware für die Interfaces der CASSY-Familie. Das in der Regelungstechnik überwiegend eingesetzte Profi-CASSY wird durch CASSY Lab 2 zu einem universellen Mess- und Steuerinstrument. Mit CASSY Lab 2 lassen sich z.b. folgende Aufgaben durchführen: Ansteuerung der analogen Ausgänge des Profi-CASSY Erzeugung von Sprung-, Puls-, oder Anstiegssignalen Aufzeichnung der Messsignale als Zeitverlauf Auswertung von Sprungantworten Export und Weiterverarbeitung der Messwerte mit externer Software. U Y V A B C 1 D E F G t / s Folgeregelung mit CASSY Lab 2 Drehzahlregelung am Maschinensatz 10 W. SOFTWAREPAKET CASSY Lab 2 Kat.-Nr. Bezeichnung Inhalt CASSY Lab 2 Software zur Aufnahme und Auswertung der Messdaten der CASSY-Familie mit ausführlicher integrierter Hilfe Hinweis: Die Software CASSY Lab 2 ist in den Starter Paketen z.b. in S2 Profi-CASSY-Starter 2 USB bereits im Lieferumfang enthalten. Seite 47 von 96

48 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.2 Fuzzy-Regelung Klimaanlage mit Fuzzy-Regelung. Die Regelstrecke kann über eine Halogenlampe elektrisch beheizt und durch einen Lüfter gekühlt werden. Themen Konzeptionierung des Fuzzy Reglers Definition der Fuzzy-Sets Aufstellen der linguistischen Regeln Lineare und nichtlineare Fuzzy-Regler Fuzzy Steuerung für Heizung und Klima Geschwindigkeitsregelung mit Fuzzy Expertensysteme Seite 48 von 96

49 y -> GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.2 Fuzzy-Regelung Regelbasierte Regelalgorithmen Fuzzy beschreibt einen Ansatz zur Steuerung technischer Systeme fast ohne Mathematik. Die Regelstrategie wird mit Mitteln der Umgangssprache definiert. Fuzzy-Control eignet sich besonders für Systeme mit mehreren Regelgrößen und wird in vielen Geräten des Alltags eingesetzt: von der Waschmaschine bis zum Fotoapparat. In diesem Praktikum werden stellvertretend drei Beispiele vorgestellt: Heizung und Klima Drehzahlregelung Lageregelung Aufgebaut werden P- und PI-Fuzzy-Regler für lineare und nichtlineare Regler t -> Reference Value Input from process FC Verlauf von Regelgröße, Stellgröße und Führungsgröße bei einer Drehzahlregelung. AUSSTATTUNGSLISTE.2 Fuzzy-Regelung Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung Führungsgrößengeber Maschinensatz 10 W Temperaturregelstrecke Leistungsverstärker Krängungsregelstrecke S2 Profi-CASSY-Starter 2 USB Buch: Grundlagen der Regelungstechnik II, Bd Software: WinFACT LD-Lizenz Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 49 von 96

50 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.2 Fuzzy-Regelung Fuzzy-Anwendungen Krängungsregelstrecke Maschinensatz 10 W Temperaturregelstrecke Auch im Automobilbau ist Fuzzy anzutreffen. Die Drive by Wire Technologie gibt den Wunsch des Fahrers nach Änderung der Geschwindigkeit an einen Fuzzy-Regler weiter. 12 x Teilexperiment 1 Regelgröße Stellgröße Zweipunktregelung mit Fuzzy t Seite 50 von 96

51 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.2 Fuzzy-Regelung Im Inneren eines Fuzzy-Reglers Der Fuzzy PI-Regler mit Profi- CASSY Interface wird mit dem WinFACT-Modul BORIS aufgebaut. StaTemp DynTemp Schwerpunkt MAX-MIN Boiler Struktur des PI-Fuzzy-Reglers Die Fuzzy-Sets StaTemp und DynTemp bilden die Eingangsvariablen. Boiler ist die Ausgangsvariable. 1 Boiler 3D-Kennlinienfeld der Fuzzy- Klimaregelung. An den Achsen sind Eingangs- und Ausgangsgrößen aufgetragen DynTemp StaticTemp VerySmall Boiler Small Medium Big 1.0 VeryBig Die linguistische Ausgangsvariable Boiler enthält folgende Fuzzy Sets: VerySmall Small Medium Big VeryBig Seite 51 von 96

52 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.3 Regelung elektronischer Strecken Grundausstattung Themen Stetige, unstetige und quasikontinuierliche Regelung Aufnahme und Auswertung von Sprungantworten Rückkoppelungen in Übertragungssystemen Ausgangsgrößen einer Steuerkette Strecken mit Anlaufzeit und Totzeit Untersuchung von Führungs- und Störverhalten Seite 52 von 96

53 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.3 Regelung elektronischer Strecken Grundausstattung Die Ausstattung erlaubt Versuche von den Grundlagen bis zum Hochschulniveau. Es werden die klassischen Übertragungsglieder der Regelungstechnik im Zeitbereich untersucht. Digitale Einsteller für Reglerparameter und Streckenzeitkonstanten erlauben eine einfache, intuitive Bedienung der Geräte bei hoher Genauigkeit. Als Regler stehen stetige und unstetige Ausführungen zur Verfügung. Das CASSY-Interface ermöglicht computerunterstütztes Regeln und Auswerten. Für den Einsatz an Hochschulen empfiehlt sich zusätzlich die Simulation mit WinFACT. Die Frontplatten der Geräte zeigen die international gültigen Blockschaltbilder. AUSSTATTUNGSLISTE.3 Regelung elektronischer Regelstrecken Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung Zweipunktregler Führungsgrößengeber PID-Digitalregler Totzeitglied Digitale Regelstrecke Übertragungsglied 2. Ordnung S2 Profi-CASSY-Starter 2 USB Software: WinFACT COM3LAB / CASSY-Edition de Buch: Regelung elektronischer Strecken Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 53 von 96

54 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.4 Module und Übertragungsglieder Ergänzungsausstattung Aus diskreten Funktionsblöcken aufgebauter PI-Regler Themen Manuelle Einstellung der Streckenparameter von KP, KI, Kd Skalierung von Messgeräten Aufnahme und Auswertung von Sprungantworten Modularer Aufbau von PI- und PID-Reglern Quasikontinuierliche Regelung einer Strecke 2. Ordnung Seite 54 von 96

55 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.4 Module und Übertragungsglieder Ergänzungsausstattung In dieser Zusatzausstattung werden Regler oder Strecken aus den elektronischen Grundbausteinen P-, I-, D-Glied sowie Summationpunkten zusammengesetzt. Das gibt größtmögliche Flexibilität in der Versuchsgestaltung. Viele Versuche aus Regelung elektronischer Strecken.3. können mit den Modulen im Detail nachgebildet werden. Es gibt aber auch interessante Zusatz-versuche, z.b. die quasikontinuierliche Regelung einer Strecke 2. Ordnung. Hier nimmt der nichtstetige Regler durch Rück-koppelungen ein quasikontinuierliches Reglerverhalten an. U A V Die Sprungantworten verschiedener Übertragungsglieder und Strecken werden mit CASSY Lab 2 aufgenommen. t / s AUSSTATTUNGSLISTE.4 - ERGÄNZUNG ZU.3 Module und Übertragungsglieder Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung P-Regler I-Glied D-Glied Summierpunkt, 2 Eingänge Summierpunkt, 5 Eingänge Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 55 von 96

56 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.5 Digitale Regelung Themen Digitaler Regler mit Sample & Hold Digitaler Regler mit WinFACT Digitaler Regler mit CASSY Lab 2 Seite 56 von 96

57 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.5 Digitale Regelung Im Gegensatz zu elektronischen Analogreglern benötigen digitale Regler eine Programmierung. Diese kann mit WinFACT blockorientiert erfolgen, oder mit CASSY Lab 2 in Form von mathematischen Verknüpfungen. Vorteilhaft ist in allen Fällen die Möglichkeit, die Reglerstruktur und die Parameter flexibel an die Anforderungen des jeweiligen Prozesses anzupassen. Untersucht werden die Abtastregelung und digitale Software-Regler. Als Regelstrecke werden elektronische Strecken eingesetzt. Regler: Software Strecke: elektronische Hardware AUSSTATTUNGSLISTE.5 Digitale Regelung Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung Abtast-Halteglied PID-Digitalregler Summierpunkt, 5 Eingänge Digitale Regelstrecke S2 Profi-CASSY-Starter 2 USB Software: WinFACT COM3LAB / CASSY-Edition de Buch: Digitale Regelung Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 57 von 96

58 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.6 Messung von Frequenzgängen Frequenzgänge in Form von Bode-Diagrammen und Ortskurven können sowohl mit CASSY Lab 2 als auch mit WinFACT aufgenommen werden. Der Versuchsablauf ist in beiden Fällen gleich Themen Messung von Bode-Diagrammen Messung von Ortskurven Bestimmung der Systemordnung Simulation technischer Regelkreise Seite 58 von 96

59 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.6 Messung von Frequenzgängen Die Messungen zeigen die Ortskurve und das Bodediagramm eines PT2-Gliedes, die mit CASSY Lab 2 aufgenommen wurden. Das PT2-Glied besteht aus zwei in Reihe geschalteten PT1-Gliedern.. ATF Zur Auswertung der Amplitudengangkurve stehen in CASSY Lab 2 Graphikhilfen zur Verfügung. Unter anderem ist die Bestimmung der Kurvensteigung möglich. Für das PT2-Glied liefert diese Messfunktion als Ergebnis eine Zunahme der Dämpfung von etwa 40 db pro Frequenzdekade. 1 0,1 0, f / Hz AUSSTATTUNGSLISTE.6 Messung von Frequenzgängen Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung PID-Digitalregler Totzeitglied Digitale Regelstrecke Übertragungsglied 2. Ordnung S2 Profi-CASSY-Starter 2 USB de Buch: Messung von Frequenzgängen Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 59 von 96

60 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.7 Stabilität und Optimierung Themen Reglereinstellung bei einer Strecke 1. Ordnung mit Totzeit Stabilität eines Systems 3. Ordnung Simulation technischer Regelkreise Stabilitätstests mit Ortskurven Kriterien zur Systemoptimierung Regleroptimierung nach Integralkriterien Regleroptimierung nach Einstellregeln Seite 60 von 96

61 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.7 Stabilität und Optimierung Zu den wichtigsten Aufgaben der Regelungstechnik zählen die Stabilitätsuntersuchung und Optimierung des Regelkreises. Das Ergebnis entscheidet über die Brauchbarkeit der Regelung für den vorgesehenen Einsatz. x V x V Die Ausstattung erlaubt Experimente zur numerischen Optimierung von Systemparametern mit Hilfe von Evolutionsstrategien. Untersucht wird die rechnerunterstützte Optimierung nach frei wählbaren Gütekriterien (z.b. ITAE, ISE, etc) Stabilitätstest einer elektronisch simulierten Gasflussregelung. Die integrale Strecke wird mit einem PI- Regler geregelt. Abhängig von der Wahl der Reglerparameter wird der geschlossene Regelkreis instabil. t / s AUSSTATTUNGSLISTE.7 Stabilität und Optimierung Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung I-Glied PID-Digitalregler Summierpunkt, 5 Eingänge Totzeitglied Digitale Regelstrecke Übertragungsglied 2. Ordnung S2 Profi-CASSY-Starter 2 USB Software: WinFACT LD-Lizenz de Buch: Stabilität und Optimierung Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 61 von 96

62 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.8 COM3LAB-Multimedia: Regelungstechnik Themen (Auswahl) Analyse von Strecken und Reglern Strecken mit / ohne Ausgleich, Strecken höherer Ordnung Analoge / digitale Regelung Gütekriterien und Einstellregeln Temperatur-, Drehzahl-, Helligkeitsregelung Systeme mit Totzeit, Kaskadenregelung Frequenzgänge, Fuzzy-Control Seite 62 von 96

63 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK.8 COM3LAB-Multimedia: Regelungstechnik Die COM3LAB-Kurse Regelungstechnik I/II sind Multimedia- Kurse mit einer kompletten Einführung in Theorie und Praxis. Experimente werden sowohl an elektronischen Regelstrecken als auch an technischen Strecken (Licht-, Drehzahl- und Temperaturegelstrecke) durchgeführt. Es stehen ein analoger Regler und ein digitaler Regler zur Verfügung. Im weiterführenden Kurs II sind zusätzlich Versuche zu Frequenzgängen, nichtlinearer Regelung und Fuzzy-Control integriert. Ein idealer Kurs für einen vertiefenden Einstieg in die Welt der Regelungstechnik. Vorbereitet und abgerundet wird die Thematik durch die COM3LAB-Kurse Operationsverstärker (700 81) und Sensorik (700 84). U A V Die Sprungantworten verschiedener Übertragungsglieder und Strecken werden mit einem speziellen Sprungantwortplotter aufgenommen. t / s COM3LAB: übersichtliche Laborgestaltung, experimentieren (fast) ohne Vorbereitungen. AUSSTATTUNGSLISTE.7 COM3LAB-Multimedia: Regelungstechnik Anzahl Kat.-Nr. Bezeichnung COM3LAB-Kurs: Operationsverstärker COM3LAB-Kurs: Regelungstechnik I COM3LAB-Kurs: Regelungstechnik II COM3LAB-Kurs: Sensorik USB COM3LAB Master Unit Die vollständige Materialzusammenstellung entnehmen Sie bitte der Tabelle am Ende des Kataloges oder einem aktuellen Angebot. Seite 63 von 96

64 GRUNDLAGEN DER REGELUNGSTECHNIK Seite 64 von 96

65 INDUSTRIELLE REGELUNGSTECHNIK T 8.3 Industrielle Regelungstechnik Seite 65 von 96

66 INDUSTRIELLE REGELUNGSTECHNIK T 8.3 Industrielle Regelungstechnik Im Bereich der industriellen Regelungstechnik mit kommerziellen Komponenten bietet LD eine Auswahl an Systemen mit praxisgerechten Eigenschaften: Kompakte Aufbauten, auch für kleine Labore geeignet. Verwendung von kommerziellen Komponenten für das Training an echten Industriegeräten. Computer-Auswertung für eine umfassende Protokollierung. Druckluft ist in der Ausbildung ein einfach zu handhabender Energieträger. Deshalb arbeitet die industrielle Regelungstechnik bei LD zum Teil mit pneumatischen Komponenten. Die pneumatische Regelungstechnik kann zusätzlich mit einer industriellen Steuerung z.b. mit einer SPS verbunden werden. Der Themenbereich enthält außerdem Kurse zur Handhabung industrieller Kompaktregler sowie die Regelung industrieller Antriebsmaschinen. Die Instrumentierung in der industriellen Regelungstechnik kann auf elektrischer, pneumatischer oder hydraulischer Grundlage erfolgen. Verfahrenstechnische oder sicherheitstechnische Gründe, z.b. bei Explosionsgefahr, machen in vielen Produktionszweigen den Einsatz pneumatischer Einrichtungen notwendig. Seite 66 von 96

67 INDUSTRIELLE REGELUNGSTECHNIK T 8.3 Industrielle Regelungstechnik Druckmessung mit CASSY Pneumatische Einrichtungen enthalten: Regler Stelleinrichtungen und Messwandler Zur Druckmessung werden das Sensor-CASSY und zwei Drucksensoren S eingesetzt. Die Auswertung und Protokollierung erfolgt mit der Software CASSY Lab 2. Pneumatische Komponenten arbeiten im Standarddruckbereich 0.2 bar bis 1.0 bar mit der bei industriellen Anwendungen weit verbreiteten Live Zero Technik. Dabei entsprechen 0.2 bar = 0% und 1.0 bar = 100%. Die Hilfsenergieversorgung beträgt einheitlich 1.4 bar, sie entspricht bei elektronischen Geräten der Spannungsversorgung. Für den Energiestrom des Prozesses existiert eine Druckenergieleitung mit 2 bar (E1). Zusammenhang zwischen absolutem und relativem Druck bei Live Zero. Die pneumatischen Ventile der folgenden Ausstattungen sind mit einer elektronischen Ansteuerung für das Sensor-CASSY ausgestattet. Das ermöglicht einfache Versuchsabläufe. Drucksprünge oder Lastwechsel lassen sich damit bequem und genau vom Computer steuern. Prozesssteuerung mit CASSY Seite 67 von 96