Grundkurs der Regelungstechnik

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1 Grundkurs der Regelungstechnik Einführung in die praktischen und theoretischen Methoden von Dr.-Ing. Ludwig Merz em. o. Professor und Direktor des Instituts für Meßund Regelungstechnik der Technischen Universität München Dr.-Ing. Hilmar Jaschek o. Professor des Lehrstuhls für Systemtheorie der Elektrotechnik der Universität des Saarlandes Mit 267 Abbildungen und 35 Tabellen 11. korrigierte Auflage R. Oldenbourg Verlag München Wien 1992

2 Inhalt Zum Geleit 7 Vorwort zur achten Auflage 9 Vorwort zur elften Auflage 9 1. Einführung in die Regelungstechnik Aufgabe der Regelungstechnik Begriffe und Benennungen Steuerung Regelung Additionsstelle Verzweigungsstelle Signalflußplan Bauglieder in Regelkreisen und Steuerketten Fühler Fühler für Druck Fühler für Durchfluß Fühler für Höhenstand Fühler für Temperatur Fühler für Kraft Fühler für Drehzahl Meßumformer Sollwerteinsteller Summierglied, Vergleicher Zeitglieder Regler Stellgerät Steuer- und Regelaufgaben Steuerung Festwertregelung Folgeregelung Nachlaufregelung Verhältnisregelung Steuer- und Regelschaltungen Festwertregelschaltungen Einfachregelkreis Einfachregelkreis mit Aufschaltungen Kaskadenregelkreis Folgeregelschaltungen 54

3 4 Inhaltsverzeichnis 2. Beschreibung des Übertragungsverhaltens Beschreibung mit Hilfe von Differentialgleichungen Arten von Differentialgleichungen zur Beschreibung von Regelkreisgliedern Eigenschaften linearer zeitinvarianter Regelkreisglieder Homogenität Superposition Zeitinvarianz Linearisierung Statischer Zusammenhang gemäß einer stetigen Kennlinie Dynamischer Zusammenhang gemäß einer nichtlinearen Differentialgleichung Lösung von gewöhnlichen linearen Differentialgleichungen mit konstanten Koeffizienten Lösung mit Hilfe von Lösungsansätzen Lösung mit Hilfe der Laplace-Transformation Beschreibung mit Hilfe der Übertragungsfunktion Beschreibung mit Hilfe von Antwortfunktionen Impulsfunktion, Impulsantwort Sprungfunktion, Sprungantwort Anstiegsfunktion, Anstiegsantwort Cosinusfunktion, Schwingungsantwort Lineare Übertragungsglieder Analogien Verallgemeinerte Größen Analoge Bauglieder Energiequellen Energieverbraucher Energiespeicher Entwurf eines mathematischen Modells 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 115

4 Inhaltsverzeichnis 5 4. Grafische Darstellung der Übertragungsfunktion Pol-Nullstellen-Verteilung Frequenzgang Ortskurve Ortskurven elementarer Übertragungsglieder Ortskurven von Übertragungssystemen Frequenzkennlinien Frequenzkennlinien elementarer Übertragungsglieder Konstruktionshilfsmittel für Frequenzkennlinien Frequenzkennlinien von Übertragungssystemen Entwurf von Regelkreisen Stabilität, Regelgüte und Empfindlichkeit Übertragungsfunktionen des Regelkreises Stabüität Regelgüte Regelgüte im Beharrungszustand Regelgüte während des Einschwingvorganges Stabilitätskriterien Hurwitz-Kriterium Nyquist-Kriterium Empfindlichkeit Entwurf von Regelkreisen mit stetigen Reglern im Zeitbereich Auswahl geeigneter Regler Vergleich der Wirkung verschiedener Regler Regelkreis mit PT 3 -Regelstrecke Regelkreis mit IT 2 -Regelstrecke Günstige Einstellung der Reglerkennwerte Einstellregeln nach Ziegler und Nichols Einsteilregeln nach Chien, Hrones und Reswick Einstellregeln nach Kessler Einstellregeln nach Naslin Entwurf von Regelkreisen mit stetigen Reglern im Frequenzbereich Wurzelortsverfahren Definition der Wurzelortskurve Phasenbeziehung und Betragsbeziehung Konstruktionsregeln für Wurzelortskurven Reglerentwurf Frequenzkennlinienverfahren Spezifikationen Reglerentwurf Entwurf von Regelkreisen mit schaltenden Reglern im Zeitbereich Zweipunktregler ohne Hysterese an einer PTjT t -Regelstrecke Führungsverhalten Kenngrößen der Arbeitsbewegung 226

5 6 Inhaltsverzeichnis Zweipunktregler ohne Hysterese an einer IT t -Regelstrecke Führungsverhalten 232 SA.2.2 Kenngrößen der Arbeitsbewegung Zweipunktregler mit Hysterese an einer PTj-Regelstrecke Führungsverhalten Kenngrößen der Arbeitsbewegung Zweipunktregler mit Hysterese an einer PT n -Regelstrecke Zweipunktregler mit Hysterese und Pl^-Rückführung Übergangsverhalten des Reglers Arbeitsweise im Regelkreis und Einstellung der Reglerkennwerte Dreipunktregler mit PTj-Rückführung und I-Stellglied Übergangsverhalten des Reglers Arbeitsweise im Regelkreis Auslegung von Regelschaltungen Einfachregelkreis mit Störgrößenaufschaltung Aufschaltung auf den Reglerausgang Aufschaltung auf den Reglereingang Einfachregelkreis mit Hüfsgrößenaufschaltung Kaskadenregelkreis Prozeßlenkung mit Digitalrechnern Einführung Digitalrechner als Automatisierungsmittel Anforderungen an Rechner Arten der Prozeßkopplung Rechneraufgaben bei offener Prozeßkopplung Datenerfassung Datenverarbeitung Prozeßüberwachung Rechneraufgaben bei geschlossener Prozeßkopplung Prozeßsteuerung Prozeßregelung Prozeßführung Prozeßoptimierung Arbeitsweise des Rechners im Regelkreis Einsatzbeispiele Zentrales Prozeßrechnersystem Aufbau des Kraftwerks Emsland Hardware des Prozeßrechnersystems Software des Prozeßrechnersystems Betriebserfahrungen mit dem Prozeßrechnersystem Dezentrales Prozeßautomatisierungssystem Systemaufbau Systemeigenschaften 284 Iiteraturverzeichnis 285 Stichwortverzeichnis 287