Grundlagen der Automatisierungstechnik Teil 2: Regelungstechnik

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1 Kirbach Grundlagen der Automatisierungstechnik Teil 2: Regelungstechnik AUTOMATISIERUNGSTECHNIK / MSR-TECHNIK Studienbrief D 1. Auflage 2000 HDL HOCHSCHULVERBUND DISTANCE LEARNING

2 Verfasser: Prof. Dr.-Ing. habil. Volkmar Kirbach Professor für Automatisierungstechnik / Prozessleittechnik im Fachbereich Ingenieurwesen / Wirtschaftsingenieurwesen an der Technischen Fachhochschule Wildau Der Studienbrief wurde auf der Grundlage des Curriculums für das Studienfach Automatisierungstechnik / MSR-Technik verfasst. Die Bestätigung des Curriculums erfolgte durch den Fachausschuss Grundständiges Fernstudium Wirtschaftsingenieurwesen, dem Professoren der folgenden Fachhochschulen angehörten: HS Anhalt, FHTW Berlin, TFH Berlin, HTWK Leipzig, FH Magdeburg, FH Merseburg, HTW Mittweida, FH Schmalkalden, FH Stralsund, TFH Wildau und WH Zwickau. Redaktionsschluss: November Auflage by Service-Agentur des Hochschulverbundes Distance Learning mit Sitz an der FH Brandenburg. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere das Recht der Vervielfältigung und Verbreitung sowie der Übersetzung und des Nachdrucks, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form ohne schriftliche Genehmigung der Service-Agentur des HDL reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Service-Agentur des HDL (Hochschulverbund Distance Learning) Leiter: Dr. Reinhard Wulfert c/o Agentur für wissenschaftliche Weiterbildung und Wissenstransfer e. V. Magdeburger Straße 50, Brandenburg Tel.: kontakt-hdl@aww-brandenburg.de Fax:

3 Automatisierungstechnik / MSR-Technik Regelungstechnik Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der Formelzeichen und Symbole... 5 Verzeichnis der Randsymbole... 6 Einleitung... 7 Literaturempfehlung Einführender Überblick Ziele und Anwendungsbereiche der Automatisierung Die wichtigsten Automatisierungsfunktionen Grundbegriffe der Regelungstechnik Struktur und Wirkungsweise einer Regelung Grundforderungen an eine Regelung Strukturbeschreibung von Steuerungssystemen Ziele und wichtige Schritte der Modellbildung Strukturbild (Blockschaltbild, Signalflussplan) Mathematische Beschreibung von Regelkreisgliedern Lineare, zeitinvariante dynamische Systeme (auf beiliegender CD) Systembeschreibung mittels spezieller Testfunktionen Zeitverhalten elementarer und zusammengesetzter Übertragungsglieder Untersuchung von Regelvorgängen mit Hilfe der LAPLACE-Transformation (LT) Definition und Eigenschaften der LT Die Übertragungsfunktion Regelkreisglieder im Blockschaltbild Beschreibung von Regelkreisgliedern im Frequenzbereich (auf beiliegender CD) 5.1 Mathematische Grundlagen / komplexe Zahlen 5.2 Frequenzgang linearer Übertragungsglieder 5.3 Ortskurven 5.4 Frequenzkennlinien (Bode-Diagramm) 6. Elementare Übertragungsglieder Regelstrecken Regelstrecken mit proportionalem Verhalten Regelstrecken mit integrierendem Verhalten Regler Proportional wirkender Regler Integrierend wirkender Regler Differenzierend wirkender Regler Proportional und integrierend wirkender Regler Proportional und differenzierend wirkender Regler Proportional, integrierend und differenzierend wirkender Regler Technische Realisierung von Reglern (auf beiliegender CD)... 75

4 Regelungstechnik Automatisierungstechnik / MSR-Technik 7 Analyse und Entwurf von Regelkreisen mit stetigen Reglern Allgemeines zur Arbeitsweise von Regelkreisen mit stetigen Reglern Führungs- und Störverhalten des Regelkreises Führungsverhalten Störverhalten Übertragungsfunktionen des Regelkreises Stabilität (auf beiliegender CD) Regelgüte Regelgüte im Beharrungszustand Regelgüte während des Einschwingvorganges (auf beiliegender CD) Welcher Regler paßt zu welcher Regelstrecke? (auf beiliegender CD) Regleroptimierung (auf beiliegender CD) Weitere Betrachtungen zur Regelgüte (auf beiliegender CD) Entwurf von Regelkreisen mit stetigen Reglern im Zeitbereich Auswahl geeigneter Regler Günstige Einstellung der Reglerkennwerte Einstellregeln nach ZIEGLER und NICHOLS Einstellregeln nach CHIEN, HRONES und RESWICK (auf beiliegender CD) Kontrolle der Reglereinstellung (auf beiliegender CD) Unstetige (nichtlineare bzw. schaltende) Regler (auf beiliegender CD) 9.1 Vergleich zwischen stetigen und unstetigen Reglern 9.2 Leistungssteuerung bei einem unstetigen Regler 9.3 Zweipunktregler ohne Dynamik Verlauf der Regelgröße bei Strecken 1.Ordnung Verlauf der Regelgröße bei einer Strecke höherer Ordnung Verlauf der Regelgröße bei Strecken ohne Ausgleich Technische Auslegung von Zweipunktreglern ohne Dynamik 9.4 Zweipunktregler mit Dynamik 9.5 Dreipunktregler mit und ohne Dynamik 9.6 Dreipunktschrittrgler 10 Bessere Regelgüte durch spezielle Reglerschaltungen (auf beiliegender CD) 10.1 Grundlast 10.2 Leistungsumschaltung 10.3 Störgrößenaufschaltung 10.4 Hilfsregelgrößenaufschaltung 10.5 Grob-/Fein-Regelung 10.6 Kaskadenregelung 10.7 Verhältnisregelung 10.8 Mehrkomponentenregelung 11 Betriebswirtschaftliche Gesichtspunkte der Automatisierungstechnik Öffnung der Automatisierungstechnik zu den Standards der Informationstechnik Veränderungen im Geschäft der Automatisierungstechnik-Anwender Integrationskonzepte

5 Automatisierungstechnik / MSR-Technik Regelungstechnik 11.4 Integration des operativen Geschäftsprozesses, der Wertschöpfungskette Die Qualität als integrierender Faktor Integration des technischen Gestaltungsprozesses (Engineering-life-Cycle) Unternehmensmodell privatwirtschaftlicher Unternehmen Regelungstechnisches Modell eines Unternehmens Die Produktionsautomatisierung Aufwand und Nutzen Antworten und Lösungen Literaturverzeichnis Beilage zum Studienbrief (Praktikum R 1 bis R 3) Verzeichnis der Formelzeichen und Symbole Kreisfrequenz Differenz, Zuwachs ( ) Phasengang (t) Impulsfunktion, Dirac-Impuls (t) Einheitssprungfunktion AP Arbeitspunkt Cy Schaltperiodendauer e (x d ) Regelabweichung (w x) f sch Schaltfrequenz G(j ) komplexer Frequenzgang G(p) Übertragungsfunktion g(t) Gewichtsfunktion (Impulsantwort) eines Übertragungsgliedes G 0 (p) Übertragungsfunktion des offenen Regelkreises K D Differentialbeiwert K I Integralbeiwert K IS Übertragungsbeiwert der Regelstrecke ohne Ausgleich K P Proportionalbeiwert K R Übertragungsbeiwert des Reglers (Verstärkung) K S Übertragungsbeiwert der Regelstrecke (Streckenverstärkung) p Bildvariable der Laplace-Transformation t Zeit (laufend) T 1, T 2 Zeitkonstanten eines Übertragungsgliedes T a Ausregelzeit T an Anregelzeit T au Ausschaltzeit T e Einschaltzeit T g Ausgleichszeit T I Integrierzeit T n Nachstellzeit T S Zeitkonstante der Strecke T sch Schwingungsdauer Totzeit T t 5