NANO III - MSR. Steuern Regeln Regelkreis PID-Regler Dimensionierung eines PID Reglers. Themen: Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 1

Ähnliche Dokumente
Optimierung von Regelkreisen. mit P-, PI und PID Reglern

Autonome Mobile Systeme

Ergänzung zur Regelungstechnik

Zusammenfassung der 9. Vorlesung

Ausarbeitung Regelungstechnik

Abt. Maschinenbau, Lehrstuhl Steuerung, Regelung und Systemdynamik

Entwurf eines modellbasierten Regelungssystems für einen totzeitbehafteten Prozess

Einführung in die Regelungstechnik

- Analoge Regelung -

Praktische Regelungstechnik

Grundlagen der Regelungstechnik I (Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Grabow Fachgebiet Mechatronik FH Jena

Einführung in die Regelungstechnik

Hauptseminar SOI Regelalgorithmen für Totzeitsysteme

Regelungsaufgabe. 2. LS2 PID_Regelung 2.1 Aufgabenstellung. Folie 2.1.1

b) Ist das System zeitvariant oder zeitinvariant? (Begründung!) c) Bestimmen Sie mit Hilfe der LAPLACE-Transformation die Übertragungsfunktion

Zusammenfassung der 9. Vorlesung

Inhaltsverzeichnis. Heinz Mann, Horst Schiffelgen, Rainer Froriep. Einführung in die Regelungstechnik

Elementare Regelungstechnik

Elementare Regelungstechnik

Aufgabe 1: Sprungantwort und Ortskurve

Einführung in die Regelungstechnik

Crash-Kurs Regelungstechnik

Regelungs-und Steuerungstechnik

Methoden der Regelungstechnik

Einführung in die Regelungstechnik

Elementare Regelungstechnik

Elementare Regelungstechnik

Regelungs-und Steuerungstechnik

Einführung in die Regelungstechnik

G R. Vorlesung 9. Identifiziert durch Sprungantwort. Sinnvoll selbst gestalten. Regler. Einschleifiger Regelkreis: Xd(s) W(s) Y(s) U(s) GFeder S

Vorstellung des Großen Belegs: Entwurf eines modellbasierten Regelungssystems für einen totzeitbehafteten Prozess

Inhalt. Mehr Informationen zum Titel

Regelungstechnik I. Heinz Unbehauen. Klassische Verfahren zur Analyse und Synthese linearer kontinuierlicher Regelsysteme

Regelungstechnik I. Heinz JUnbehauen. Klassische Verfahren zur Analyse und Synthese linearer kontinuierlicher Regelsysteme. 3., durchgesehene Auflage

1 Gegenkopplung und Stabilität S107

Regelungstechnik Aufgaben

SYNTHESE LINEARER REGELUNGEN

Praktikum Grundlagen Regelungstechnik

Fortgeschrittenenpraktikum Regelschaltungen. Martin Adam Versuchsdatum: Betreuer: DI Bojarski. 3. Januar 2006

Reglerentwurf mit dem Frequenzkennlinienverfahren

Übungsaufgaben zur Vorlesung Regelungssysteme (Grundlagen)

Vorlesung 13. Die Frequenzkennlinien / Frequenzgang

() 2. K I Aufgabe 5: x(t) W(s) - X(s) G 1 (s) Z 1 (s) Z 2 (s) G 3 (s) G 2 (s) G 4 (s) X(s)

Übung 8 zur Vorlesung SYSTEMORIENTIERTE INFORMATIK HW-, SW-CODESIGN

Einstieg in die Regelungstechnik

a) Beschreiben Sie den Unterschied zwischen einer Regelung und einer Steuerung an Hand eines Blockschaltbildes.

Mathias Arbeiter 09. Juni 2006 Betreuer: Herr Bojarski. Regelschaltungen. Sprungantwort und Verhalten von Regelstrecken

Grundlagen der Regelungstechnik

Einstieg in die Regelungstechnik

Gegeben sei folgender Regelkreis mit der Führungsgröße r, dem Regelfehler e und der Ausgangsgröße y: r e R(s) P (s)

Lösungen zur 8. Übung

Grundriss der praktischen Regelungstechnik

Übung 9 zur Vorlesung SYSTEMORIENTIERTE INFORMATIK HW-, SW-CODESIGN

1 Reglerentwurf nach dem Betragsoptimum

Anhang: Regelungstechnische Bauteile des Buches

MAS Automation Management

Zusammenfassung der 1. und 2. Vorlesung

Gebäudeautomation. Mess-, Steuer- und Regelungstechnik in der Gebäudeautomation

UNIVERSITÄT DUISBURG - ESSEN Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abt. Maschinenbau, Professur für Steuerung, Regelung und Systemdynamik

Klausur im Fach: Regelungs- und Systemtechnik 1

Synthese durch Rechner-Optimierung

Regelungstechnik für Ingenieure

Prüfungsklausur. Grundlagen der Regelungstechnik I, II (PNR 2155) am von 10:00 12:00 Uhr

x 1 + u y 2 = 2 0 x 2 + 4u 2.

Grundlagen der Regelungstechnik

Der kybernetische Ansatz zum Verständnis der dissipativen Strukturen

Entwurf, Test und Analyse adaptiver Regelungsstrategien für einen nichtlinearen totzeitbehafteten technischen Prozess

2. VORDIPLOMPRÜFUNG / D-MAVT Musterlösung. Um die Note 6 zu erlangen, genügen 6 vollständig und richtig gelöste Aufgaben.

Prozessidentifikation mit Sprungantworten

Technische Universität Wien Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik. SCHRIFTLICHE PRÜFUNG zur VU Automatisierung am

Beispiele für Regelungen

Bildmaterial zur Vorlesung Regelungstechnik Teil III Der Regelkreis. Wintersemester 2014 Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus-Peter Döge

Prüfungsklausur. Grundlagen der Regelungstechnik I, II (PNR 2155) am von 10:00 13:00 Uhr

Prinzipen und Komponenten Eingebetteter Systeme (PKES) Sebastian Zug Arbeitsgruppe Eingebettete Systeme und Betriebssysteme

Schriftliche Prüfung aus Regelungstechnik 1 am

Herbert Bernstein. Regelungstechnik. Theorie und Praxis. mit WinFACT und Multisim. Elektor-Verlag, Aachen

Bestimmung der Reglerparameter aus den Frequenzkennlinien

Regelungstechnik für Ingenieure

Duale Regelungstechnik

4. Der geschlossene Regelkreis mit P-Strecke und P-Regler

b) Stellen Sie die Funktion u(t) = 1(t 1) + 2(t 2) 3(t 3) grafisch dar.

8. Regelschaltungen. Name: Daniel Schick Betreuer: Dipl. Ing. D. Bojarski Versuch ausgeführt: 8. Juni 2006 Protokoll erstellt: 11.

Regelungstechnik für Ingenieure

Versuch 1: Einführung in die Regelungstechnik

Praxisorientierte Verbesserungsvorschläge

Lösungen zur 8. Übung

G S. p = = 1 T. =5 K R,db K R

Schriftliche Prüfung aus Regelungssysteme am

Eingebettete Systeme

Schriftliche Prüfung aus Regelungstechnik am

Nr Prof. Dr. S. Zacher. Stabilitätsprüfung und Regler-Einstellung nach dem Zwei-Bode-Plots-Verfahren

Regelungstechnik. Steuerungs- und Reglungstechnik. Created with novapdf Printer ( Please register to remove this message.

Regelungs- und Systemtechnik 1 - Übungsklausur 2

Beantworten Sie die folgenden Fragen bitte kurz und präzise. Es sind keine längeren Ausführungen erforderlich!

Grundkurs der Regelungstechnik

Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe. Regelungstechnik II. Übung 1

Birgit Steffenhagen. Formelsammlung. Regelungstechnik. Mit 300 Bildern. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

Technische Universität Wien Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik. SCHRIFTLICHE PRÜFUNG zur VU Automatisierung am

90 Minuten Seite 1. Einlesezeit

Transkript:

NANO III - MSR Themen: Steuern Regeln Regelkreis PID-Regler Dimensionierung eines PID Reglers Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 1

Ziele 1. Unterschied Steuern Regeln 2. Was ist ein Regelkreis und wie funktioniert dieser? 3. Wie dimensioniere ich einen Regler? Regelkreise beim Menschen: Körpertemperatur Blutdruck Herz-Pulsfrequenz Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 2

Steuern Regeln Steuern ist Einstellen ohne unmittelbare Rückmeldung: Reines Steuer (ohne Rückmeldung) kommt fast nicht vor: z.b. sehr weit entfernte Raumsonde Regeln ist Einstellen mit unmittelbarer Rückmeldung: Trotzdem spricht man sehr oft fälschlicher weise von Steuerung : Steuern eines Autos -> Besser: Regeln eines Autos Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 3

Regelkreis Einstellen Sollwert (Führungsgrösse) Vergleichen Istwert (Regelgrösse) Messen Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 4

Regelkreise in der Technik Ohne Regelungstechnik würde vieles nicht funktionieren: Auto: Verbrennungsregelung mittels Lambda-Sonde, damit der Katalysator optimal arbeitet, Regelung der Motortemperatur, Tempomat Haus: Temperaturregelung der Innenräume, Backofen Computer: Drehzahlregelung der Ventilatoren, Helligkeitsregelung des Bildschirms CD/DVD: Regelung der Laser-Intensität, Fokussierung des Lasers, Spurhaltung des Strahles, Drehzahl der Scheibe Maschinen: Geschwindigkeits-, Kraft-, Durchflussregelungen Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 5

Beispiel: Niveau-Regelung Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 6

Regelkreis schematisch w Führungsgrösse (Sollwert) Xd Regeldifferenz y Stellgrösse x Regelgrösse (Istwert) Regler Strecke Vergleichsstelle z Störgrösse Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 7

Begriffe Regelungstechnik w Führungsgrösse (Sollwert) x Regelgrösse (Istwert) x d Regeldifferenz (x d = w x) y Stellgrösse (Ausgang des Reglers) z Störgrösse Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 8

Begriffe in der Praxis Regler Verstärkung Strecke Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 9

Die Strecke y Stellgrösse Strecke x Regelgrösse (Istwert) y(t) x(t) t Sprungantwort Strecke 1. Ordnung mit Totzeit t Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 10

Der Regler x d Regeldifferenz Regler y Stellgrösse Es gibt verschiedene Reglertypen: 2 Punkt-Regler mit Hysterese (Thermostat) 3 Punkt-Regler: Heizen, Kühlen, Abwarten (Klimatisierung) Kontinuierliche-Regler: P(I)(D)-Regler (präzise Regelungen) Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 11

Proportional-Regler x d Regeldifferenz P-Regler y Stellgrösse y(t) = K p * x d (t) x d (t) y(t) Sprungantwort P-Reglers K P t t Führt im geschlossenen Regelkreis zu einer bleibenden Regelabweichung! Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 12

Integral-Regler x d Regeldifferenz I-Regler y Stellgrösse y(t) = K I * x d (t)dt T n = 1/K I x d (t) y(t) Sprungantwort I-Reglers t Steigung = K I t Ergibt im geschlossenen Regelkreis keine bleibende Regelabweichung! Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 13

Zeitverhalten I-Regler I y(t) y(t) = K I * x d (t)dt Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 14

Differential-Regler x d Regeldifferenz D-Regler y Stellgrösse x d (t) y(t) = K d * dx d (t)/dt y(t) T v = K d Sprungantwort D-Reglers K d t t Macht die Regelung schneller, aber nur in Kombination mit andern Reglern sinnvoll verwendbar! Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 15

Zeitverhalten D-Regler D y(t) = K d * dx d (t)/dt Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 16

PID-Regler P-Regler (K P ) x d Regeldifferenz I-Regler (K I ) y Stellgrösse D-Regler (K d ) Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 17

PID-Regler mit OpAmps R P P w x Differenzbildung R R - + R R x d R R I R C D - + - + - C I R D I D R R Summierung - + R y + R Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 18

Gleichungen PID-Regler x d Regeldifferenz P-Regler (K P ) I-Regler (K I ) D-Regler (K d ) y Stellgrösse K = K I d = K T T v P n K P Zeitbereich: y( t) = K p x d ( t) + 1 T n x d ( t) dt + T v xd ( t) dt Frequenzbereich: (Laplace, s=jω) Y ( s) X ( s) d 1 = K p 1 + + Tv s Tn s Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 19

Sprungverhalten PID-Regler Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 20

Aufgaben des Reglers w x d y x Regler Strecke 1. Die Regeldifferenz x d soll gegen Null gehen 2. Die Regelgrösse x soll möglichst schnell und ohne zu Überschiessen der Führungsgrösse w folgen (Führungsverhalten) 3. Die Regelgrösse x muss möglichst unempfindlich auf die Störgrösse z reagieren (Störverhalten) 4. Der Regelkreis arbeite stets stabil (ohne zu Schwingen) Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 21

Der geschlossene Regelkreis w X d y x Regler Strecke z Störgrösse Der Regler muss auf die Strecke angepasst werden! Die Strecke ist mit ihrem Verhalten vorgegeben! Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 22

Sprungantwort Regelkreis Regler zu langsam Regler optimal Regler zu schnell Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 23

Beschreibung mit Laplace Zeitkontinuierlicher Regelkreis: Regler G R (s) Strecke G S (s) w(s) X d y x(s) G0( s) = GR( s) GS ( s) Führungsverhalten des geschlossenen Kreises: x( s) G0 ( s) G w ( s) = = w( s) 1+ G ( s) 0 Nur gültig bei linearen zeitinvarianten (LZI) Systemen! Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 24

Schwingt der Regelkreis? Die Stabilität des geschlossenen Regelkreises lässt sich aus der Übertragungsfunktion des offenen Regelkreises beurteilen: G0( s) = GR( s) GS ( s) System schwingt, wenn die Schwingbedingung, Verstärkung > 1 (0 db) bei Phase = ±180, für die Übertragungsfunktion des offenen Regelkreis erfüllt ist! Untersuchung mittels: Bode-Diagramm Ortskurven Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 25

Bode-Diagramm Sprungantwort des geschlossenen Regelkreises bei verschiedenen Phasenreserven: Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 26

Ortskurve Amplitude und Phase in einem Graphen (Real- und Imaginärteil als Koordinatenkreuz, Vektor zu jedem Frequenzwert) Der Punkt -1 muss deutlich ausserhalb der Ortskurve liegen, sonst ist der geschlossene Regelkreis instabil. -1 Ortskurve des offenen Regelkreises (hier stabil) Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 27

Frequenzbereich <-> < > Zeitbereich Bodediagramm des offenen Regelkreises: Sprungantwort des geschlossenen Regelkreises: Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 28

Zu wenig DämpfungD mpfung The Tacoma Narrows Bridge Failure (1940) Schwingungsanregung einer Hängebrücke durch Wind Resonanz-Katastrophe Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 29

Regler Dimensionierung Hauptaufgabe der Regelungstechnik: Bestimmung der optimalen Regelparameter Dazu gibt es die verschiedenste Verfahren: Heuristische-Verfahren (Faustformeln für eine typische Strecke) Wurzelortskurven-Verfahren Frequenzkennlinien-Verfahren und viele andere Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 30

Heuristische Verfahren y Strecke x 1. Dynamische Verhalten der Strecke (PT 2 ) muss bekannt sein, oder ausgemessen werden: K s : Statische Verstärkung T u : Verzugszeit [s] T g : Ausgleichszeit [s] 2. Anhand von Tabellen können sinnvolle Regelparameter für den P(I)(D)-Regler bestimmt werden. Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 31

Parameter der Strecke K T T s u g y(t) y Sprung Strecke x x x(t) K s = x / y 0 Sprungantwort t y 0 t Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 32

Faustformeln nach Chien et al. Auf gutes Führungsverhalten optimiert: Regler Aperiodisch gedämpft 20% Überschwingen P K p PI K p T n PID K p T n T v Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 33

Faustformeln nach Chien et al. Auf gutes Störverhalten optimiert: Regler Aperiodisch gedämpft 20% Überschwingen P K p PI K p T n PID K p T n T v Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 34

Beispiel Regerdimensionierung K s = 5 T u = 10 ms T g = 150 ms x(t) K s = x / y 0 x y 0 t Sprungantwort PID-Regler für aperiodisch gedämpftes Führungsverhalten: K p = = 1.8 T n = T v = = 150 ms = 5 ms K I = K P / T n = 12 s -1 K d = T v *K P = 9 ms Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 35

Herausforderung Regelungstechnik 1. Stark-nichtlineare Strecken 2. Strecken mit zeitlich ändernder Charakteristik 3. Regelung mehrer von einander abhängigen Grössen Nichtlineare Regler, Adaptive Regler, Selbstlernende Regler, Mehrgrössen-Regler (Zustands-Regler), Kaskadenregler, Fuzzy- Regler Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 36