Moderne Regelungssysteme

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1 Richard C. Dorf Robert H. Bishop Moderne Regelungssysteme 10., überarbeitete Auflage

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 11 Kapitel 1 Regelungssysteme eine Einführung Einleitung Kurze Geschichte der Regelungstechnik Zwei Beispiele zur Verwendung von Rückkopplung Regelungstechnik in der Praxis Beispiele moderner Regelungssysteme Automatisierte Fertigung und Industrieroboter Die zukünftige Entwicklung von Automatisierungssystemen Systementwurf Mechatronische Systeme Entwurf von Regelungssystemen Entwurfsbeispiel: Geschwindigkeitsregelung für einen Drehtisch Entwurfsbeispiel: Automatisches System zur Verabreichung von Insulin Fortlaufendes Entwurfsbeispiel: Lesekopfsystem einer Festplatte Kapitel 2 Mathematische Modelle von Systemen Einleitung Differenzialgleichungen physikalischer Systeme Lineare Näherungen physikalischer Systeme Die Laplace-Transformation Die Übertragungsfunktion linearer Systeme Darstellung von Modellen als Blockschaltbild Modelldarstellung als Signalflussgraph Rechnergestützte Analyse von Regelungssystemen Entwurfsbeispiele Simulation von Systemen mit MATLAB Fortlaufendes Entwurfsbeispiel: Lesekopfsystem einer Festplatte Kapitel 3 Zustandsgrößenmodelle Einleitung Die Zustandsgrößen eines dynamischen Systems Die Zustandsdifferenzialgleichung Modelle mit Signalflussgraphen und Blockschaltbildern Alternative Modelle mit Signalflussgraphen und Blockschaltbildern Herleitung der Übertragungsfunktion aus der Zustandsgleichung Das Zeitverhalten und die Übergangsmatrix Zeitdiskrete Bestimmung von Zeitantworten

3 INHALTSVERZEICHNIS 3.9 Entwurfsbeispiel: Riemenantrieb eines Druckers Analyse von Zustandsgrößenmodellen mit MATLAB Fortlaufendes Entwurfsbeispiel: Lesekopfsystem einer Festplatte Kapitel 4 Regelkreise und ihre Eigenschaften Steuerungs- und Regelungssysteme Empfindlichkeit von Regelungssystemen gegenüber Parameteränderungen Beeinflussung des Übergangsverhaltens von Regelungssystemen Störsignale in Regelungssystemen Der stationäre Fehler Kompromisse bei der Rückkopplung Entwurfsbeispiel: Tunnelbohrmaschine für den Kanaltunnel zwischen England und Frankreich Entwurfsbeispiel: Erkundungsfahrzeug für die Marsoberfläche Bestimmung der Systemeigenschaften mit MATLAB Fortlaufendes Entwurfsbeispiel: Lesekopfsystem einer Festplatte Kapitel 5 Das Verhalten von Regelungssystemen Einleitung Test-Eingangssignale Verhalten eines Systems 2. Ordnung Auswirkungen eines 3. Pols und einer Nullstelle auf die Sprungantwort eines Systems 2. Ordnung Abschätzung des Dämpfungsfaktors Lage der Pole in der s-ebene und das Übergangsverhalten Der stationäre Fehler eines Regelungssystems mit Einheitsrückkopplung Der stationäre Fehler eines Regelungssystems mit allgemeiner Rückkopplung Gütekriterien Vereinfachung von linearen Systemen Entwurfsbeispiel: Richtungsregelung für das Hubble-Teleskop Bestimmung des Systemverhaltens mit Hilfe von MATLAB und Simulink Fortlaufendes Entwurfsbeispiel: Lesekopfsystem einer Festplatte Kapitel 6 Stabilität von linearen Regelungssystemen Begriff der Stabilität Stabilitätskriterium nach Routh-Hurwitz Relative Stabilität von Regelungssystemen Stabilität von Systemen im Zustandsraum Entwurfsbeispiel: Lenkungssystem eines Kettenfahrzeugs Nachweis der Systemstabilität mit MATLAB Fortlaufendes Entwurfsbeispiel: Lesekopfsystem einer Festplatte

4 Inhaltsverzeichnis Kapitel 7 Wurzelortsverfahren Einleitung Definition und Konzept der Wurzelortskurve Wurzelortsverfahren Ein Beispiel für Systemanalyse und Systementwurf mit Hilfe des Wurzelortsverfahrens Parameter-Entwurf mit dem Wurzelortsverfahren Empfindlichkeit und Wurzelortskurve PID-Regler Entwurfsbeispiel: Regelungssystem für Laser-Manipulator Entwurf eines Regelungssystems für Roboter Wurzelortsverfahren mit MATLAB Fortlaufendes Entwurfsbeispiel: Lesekopfsystem einer Festplatte Kapitel 8 Frequenzgangverfahren Einleitung Frequenzgangkurven Beispiel zur Erstellung eines Bode-Diagramms Messen des Frequenzgangs System-Kennwerte im Frequenzbereich Logarithmisches Amplituden-Phasendiagramm Entwurfsbeispiel: Regelungssystem für eine Graviermaschine Frequenzgangverfahren mit MATLAB Fortlaufendes Entwurfsbeispiel: Lesekopfsystem einer Festplatte Kapitel 9 Stabilität im Frequenzbereich Einleitung Abbildung von Konturen der s-ebene Nyquist-Kriterium Relative Stabilität und das Nyquist-Kriterium Zeitbereichskriterien des Systemverhaltens im Frequenzbereich Systembandbreite Stabilität von Regelungssystemen mit Totzeit Entwurfsbeispiel: Ferngesteuertes Aufklärungsfahrzeug PID-Regler im Frequenzbereich Untersuchung der Stabilität im Frequenzbereich mit MATLAB Fortlaufendes Entwurfsbeispiel: Lesekopfsystem einer Festplatte Kapitel 10 Entwurf von Regelungssystemen Einleitung Verfahren zum Systementwurf Serielle Kompensations-Netzwerke Systementwurf mit phasenanhebender Kompensation unter Verwendung des Bode-Diagramms

5 INHALTSVERZEICHNIS 10.5 Systementwurf mit phasenanhebender Kompensation unter Verwendung der Wurzelortskurve Systementwurf mit integrierenden Netzwerken Systementwurf mit phasenabsenkender Kompensation unter Verwendung der Wurzelortskurve Systementwurf mit phasenabsenkender Kompensation unter Verwendung des Bode-Diagramms Systementwurf im Bode-Diagramm mit analytischen und computergestützten Verfahren Systeme mit Vorfilter Entwurf von Systemen mit aperiodischer Dämpfung Entwurfsbeispiel: Regelungssystem für einen Ankerwickelautomaten Entwurfsbeispiel: X-Y-Plotter Systementwurf mit MATLAB Fortlaufendes Entwurfsbeispiel: Lesekopfsystem einer Festplatte Kapitel 11 Entwurf von Regelungssystemen im Zustandsraum Einleitung Steuerbarkeit Beobachtbarkeit Entwurf von Zustandsregelungen Ackermann-Formel Beobachterentwurf Kompensatorentwurf mit integrierter vollständiger Zustandsrückführung und Beobachter Führungssignale am Eingang Optimale Regelungssysteme Entwurf nach Innere-Modell-Prinzip Entwurfsbeispiel: Automatisches Prüfsystem Entwurf im Zustandsraum mit MATLAB Fortlaufendes Entwurfsbeispiel: Lesekopfsystem für eine Festplatte Kapitel 12 Robuste Regelungssysteme Einleitung Robuste Regelungssysteme und Systemempfindlichkeit Analyse der Robustheit Systeme mit unsicheren Parametern Entwurf von robusten Regelungssystemen PID-Regler Entwurf von robusten Systemen mit PID-Reglern Entwurfsbeispiel: Autopilot für Flugzeuge Entwurf eines Regelungssystems für ein Weltraumteleskop Entwurf eines robusten Spulenantriebs Entwurf eines robusten Regelungssystems mit innerem Modell Entwurf einer Hochpräzisions-Drehbank mit Diamantenfräser

6 Inhaltsverzeichnis System mit pseudo-quantitativer Rückkopplung Entwurf robuster Regelungssysteme mit MATLAB Fortlaufendes Entwurfsbeispiel: Lesekopfsystem einer Festplatte Kapitel 13 Digitale Regelungssysteme Einleitung Digitale Regelungssysteme in der Praxis Abtastsystem Z-Transformation Abtastregelungen Stabilitätsanalyse in der Z-Ebene Verhalten eines Abtastsystems 2. Ordnung Digitale Regelkreise Entwurf einer Bewegungssteuerung für einen Arbeitstisch Wurzelortskurve digitaler Regelungssysteme Realisierung von digitalen Reglern Entwurf von digitalen Regelungssystemen mit MATLAB Fortlaufendes Entwurfsbeispiel: Lesekopfsystem einer Festplatte Anhang A Grundlagen von MATLAB 1101 A.1 Einleitung A.2 Anweisungen und Variablen A.3 Matrizen A.4 Grafiken A.5 Scripts Anhang B Grundlagen von Simulink 1127 Weiterführende Literatur 1137 Register