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Lehrbuch der Automatisierungstechnik Eine Einführung in die Grundlagen 13., durchgesehene Auflage 470 Bilder, 120 Tafeln VEB VERLAG TECHNIK BERLIN

INHALTSVERZEICHNIS Formelzcichen 13 1. Einführung in die Automatisierungstechnik 16 1.1. Bedeutung dor Automatisierungstechnik für dio Gesellschaft und die Stellung der Automatisierungstechnik innerhalb der teohnisohen Wissenschaften, 15 1.2. Grundbegriffe der automatischen Steuerung nach TGL 14591.... 19 1.2.1. Arten automatischer Steuerungen 19 1.2.2. Betrachtungsweisen automatischer Steuerungen 21 1.2.3. Glieder und Größen automatischer Steuerungen 22 1.2.4. Signal, Information 24 1.8. Beispiele von Steuerungen und Regelungen 27 1.4. Baugliedpläne, BMSR-Symbole, Signalflußbilder. _. 31 1.4.1. Baugliedpläne *. 31 1.4.2. BMSR-Symbole 31 1.4.3. Signalflußbilder 32 1.5. Einteilung der Signale und Glieder nach TGL 14591 35 1.6. BosehreibungH- und Untersuehungsmethoden 44 1.6.1. Grundsätzliche Bemerkungen 44 1.6.2. Statische Beschreibung und Beschränkung auf lineare Glieder 45 1.6.3. Dynamische Beschreibung voll linearen Gliedern 48 1.6.3.1. Sprungantwort, Übergangsfunktion 48 1.6.3.2. Differentialgleichung. 51 1.6.3.3. Ortskurve 53 1.6.3.4. Frequenzgang, Amplituden- und Phasengang 55 1.6.3.5. Zusammenhang Frequenzgang Orfskurve 59 1.6.3.6. Amplituden-und Phasenkennlinie, Frequenzkennlinie... 59 1.6.3.7. Übertragungefunktion 60 1.6.3.8. Modellbildung 61 1.7. Lineare Grundglieder 65 1.8. Zusammenschaltung von Gliedern zu Ketten und Kreisen 73 1.9. Teile der offenen Steuerkette und des Regelkreises' 79 2. Systeme zur Informationsgewinnung, -Übertragung, -Verarbeitung und -nutzung 83 2.1. Einführung 83 2.1.1. Übersicht und Systematik 83 2.1.2. Einsatzbedingungen 85 2.1.2.1. Kopplungsproblome. 85

8 Inhaltsverzeichnis 2.1.2.2. Störeinflüsse 86 2.1.2.3. Zuverläeeigkeitekenngröeen 88 2.2. Meßeinrichtungen 91 2.2.1. Grundlagen 91 2.2.1.1. Grundbegriffe 91 2.2.1.2. Meßfehler 98 2.2.1.3. Meßwerterfassung 106 2.2.2. Messung elektrischer Größen 107 2.2.2.1. Elektrische Meßgeräte 108 2.2.2.2. Meßverfuhren 110 2.2.2.2.1. Messung der Stromstärke 110 2.2.2.2.2. Messung der Spannung 112 2.2.2.2.3. Messung dos ohmschen Widerstands 119 2.2.2.2.4. Messung dos induktiven Widerstands 121 2.2.2.2.5. Messung dos kapazitiven Widerstands 122 2.2.2.2.6. Messung der Wirkleistung 123 2.2.2.2.7. Messung der elektrischen Energie 126 2.2.2.2.8. Messung der Frequenz 126 2.2.3. Messung mechanischer Größen 128 2.2.3.1. Weg- und Winkelmessung 128 2.2.3.2. Kraft- und Momontmessung 140 2.2.3.3. Zeitmessung 142 2.2.3.4. Drehzahlmessung 143 2.2.3.5. Druckmessung 146 2.2.3.6. DurchflußmesBung 148 2.2.3.7. Füllstandsmessung 153 2.2.4. Messung thermischer Größen 156 2.2.5. Messung von Stoffeigenschaften 161 2.2.5.1. Feuchtemessung 163 2.2.5.2. Dichtemessung 167 2.2.6.3. ph-wert-messung 169 2.2.5.4. Messung sonstiger Stoffeigenschaften 170 2.2.6. Eingabeglieder, Zähl- und Registriersysteme 171 2.2.6.1. Eingabeglieder 171 2.2.6.2. Zähl- und B^egistriersystome 172 2.2.7. Meßwertübertragung 174 2.2.7.1. Übertragung von Meßwerten bei rotierenden Teilen.... 175 2.2.7.2. Vorfahron der Meßwertübertragung für begrenzte Entfernungen 715 2.3. Bauglieder zur Wandlung der Form oder der Informationsparameter von Signalen 179 2.3.1. Gleichrichter,. 180 2.3.1.1. Besonderheiten von Gleichrichterschaltungen zur Wandlung der Form oder dos Informationsparameters von Signalen.. 180 2.3.1.2. Einwegschaltungen 181 2.3.1.3. Zweiwegschaltungen 182 2.3.1.4. Siobmittol und deren Notwendigkeit 182 2.3.2. Wechselrichter 182 2.3.3. Begrenzer 185

Inhaltsverzeichnis 9 2.3.3.1. Begren zerschal tungon 185 2.3.3.2. Impulsformergchaltungen 186 2.3.3.3. Anwendungen 187 2.3.4. Modulatoren und Demodulatoren 1 88 2.3.4.1. Modulationsarton ISS 2.3.4.2. Amplitudenmodulation (AM) 189 2.3.4.3. Frequenz- (FM) und Phasonwinkelmodulation (PM).... 191 2.3.4.4. Pulsmodulation '. 192 2.3.5. Kodierer und Dekodierer... ', 193 2.3.5.1. Zweck der Kodierung und Auswahl 193 2.3.5.2. Möglichkeiten del Kodierung 194 2.3.5.3. Kodierung mittels ODER-Glieder 196 2.3.5.4. Dekodierung mittels UND- und NOR-Glieder 196 2.3.5.5. Anwendung der Kodierung und Dekodierung zur Meßwert' Übertragung 196 2.4. Verstärker 199 2.4.1. Allgemeine Begriffe, Eigenschaften und Kenngrößen... 199 2.4.1.1. Definition des Verstärkerbegriffs 199 2.4.1.2. Verstärkung,. 200 2.4.1.3. Zeitkonstante 203 2.4.1.4. Güte 203 2.4.1.5. Wirkungsgrad 204 2.4.1.6. Rückkopplung, Gegenkopplung und Mitkopplung 204 2.4.2. Pneumatische Verstärker. 207 2.4.2.1. Elemente pneumatischer Verstärker 207 2.4.2.2. Pneumatische Druckteiler 209 2.4.2.3. Pneumatische Vorstärker ohne Rückführung 211 2.4.2.4. Pneumatische Verstärker mit Rückführung 214 2.4.3. Hydraulische Verstärker 217 2.4.3.1. Analogo hydraulische Verstärker 217 2.4.3.2. Diskrote hydraulische Verstärker 227 2.4.4. Elektrische MaBohinenverstärker 230 2.4.5. Magnetische Verstärker 232 2.4.6. Analoge elektronische Verstärker 233 2.4.6.1. Klcinsignalverstärkor 238 2.4.6.1.1. Bipolartransistor als Klonisignalverstärkor 238 2.4.6.1.2. MOS-FET als Kleinsignalverstärker 240 2.4.6.1.3. ЛО-Verstteker '.. 241 2.4.6.1.4. Gleichspannungsverstärker ' 243 2.4.6.1.5. Differenz- und Operationsverstärker 245 2.4.6.2. Großsignalvorstärker (Leistungsverstärker) 263 2.4.7. Quasianaloge elektronische Verstärker 258 2.4.7.1. Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Thyristors 258 2.4.7.2. Thyristor als Wechselst romverstärker (Wechselst ronisteller) 260 2.4.7.3. Thyristor als Gleichstromverstärker (Gleichstromsteller) und Pulssteller 262 2.4.7.4. Schutzmaßnahmen 263 2.4.8. i Diskrete elektronische Verstärker 265 2.4.9. Diskrete elektrische Verstärker 267

10 Inhaltsverzeichnis 2.5. Rechenbausteine 270 2.5.1. Analoge Reehenschaltungen 271 2.5.1.1. Kickt Tonischer Rechenverstärker und seine Sohaltungen 272 2.5.1.2- Pneumatischer Reohenverstärker und seine Sohaltungen 274 2.5.1.3. Bausteine zum Addieren und Subtrahieren... :... 270 2.5.1.4. Bausteine zum Multiplizieren und Dividieren 277 2.5.1.5. Bausteine zum Differenzieren und Integrieren 278 2.5.1.6. Funktionsgeber 279 2.5.1.7. Elektronischer Analogrechner 281 2.5.2. Bausteine der digitalen Rechentechnik. 284 2.5.2.1. Bausteine mit Halbleiterbauelementen 285 2.5.2.1.1. Bausteine mil diskreten Halbloiterbauelementen 286 2.5.2.1.2. Integrierte TTL-Schaltkreise 292 2.5.2.1.3. Integrierte MOS-Schaltkreise 294 2.5.2.1.4. Integrierte Schaltkreise für industrielle Steuerungen... 300 2.5.2.2. Bausteine mit pneumatischen Bauelementen 301 2.5.2.2.1. Bausteine ohne bewegliohe Teile 301 2.5.2.2.2. Bausteine mil beweglichen Teilen 302 2.6. Informationsspeicher 307 2.6.1. Begriffserläuterungen 307 2.6.1.1. Bedeutung der Speicherung von Informationen 307 2.6.1.2. Speicherkapazität, Speicherzelle und Register...... 308 2.6.1.3. Speicheradresse und Speicherwort 309 2.0.1.4. Zugriffszeit und Zykluszeit 309 2.6.1.5. Einteilungsmerknialc für Informationsspeicher 309 2.6.2. Mechanische Informationsspeicher 310 2.6.2.1. Mechanische Kippstufen 310 2.6.2.2. Mechanische Zeitspeicher 311 2.6.2.3. Mechanische Programmspeicher 312 2.6.3. Pneumatische Informationsspeicher 313 2.6.3.1. Pneumatische Kippstufen 313 2.6.3.2. Pneumatische Zeitspeicher 315 2.6.3.3. Pneumatische Programmspeicher 310 2.6.4. Elektrische und elektronische Informationsspeicher.... 316 2.0.4.1. Kontaktbehaftete Kippstufen 316 2.6.4.2. Kontaktbehaftete Zeitspeicher 317 2.6.4.3. Elektrische und magnetische Prograi Speicher 317 2.6.4.4. Kontakt lose Kippstufen 318 2.6.4.5. Kontaktlose Zeitspeicher 323 2.6.5. Elektronisch«; Zählschaltungen 324 2.6.5.1. Zähler 324 2.0.5.2. Schieberegister 326 2.7. Stelleinrichtungen 328 2.7.1. Stellantriebe 328 2.7.1.1. Pneumatische Antriebt! 329 2.7.1.2. Hydraulische Antriebe 332 2.7.1.3. Elektrische Antriebe 334 2.7.2. Stellglieder 338 2.7.2.1. Ventile 339 2.7.2.2. Drosselklappen, Schieber 345 I

Inhaltsverzeichnis II 2.7.2.3. Wegeventile '.. 34(1 2.7.2.4. Stellwiderstände 348 2.7.2.5. Magnetischo Stellglieder (magnetische Stelleinrichtungen) 348 2.7.2.6. Elektronische Stellglieder (elektronische Stelleinrichtungen) 348 3. Begclsystcme 352 3.1. Strecken (Steuer- bzw. Regelstrecken) 352 3.1.1. Strecken als Übertragungsglieder, Besonderheiten.... 352 3.1.2. Einteilung der Strecken 354 3.1.3. Kennwerte von Strecken 356 3.1.4. Vereinfachte Einteilung der Strecken 358 3.1.5. Kennwerte bei Hintereinanderschaltung 358 3.1.6. Beispiele von Strecken, Kennwerte häufig vorkommender Strecken.... ' 359 3.2. Regler 302 3.2.1. Verschiedene Einteilungen der Regler 362 3.2.2. Zweipunktregler 362 3.2.3. Zweilaufregler 366 3.2.4. Lineare Regler 367 3.2.4.1. Grundlagen 367 3.2.4.2. Regler ohne Rückführung (Beispiele) 372 3.2.4.3. Rückführungen 378 3.2.4.4. Regler mit Rückführung (Beispiele) 384 3.2.4.5. Industrielle Regler 392 3.2.5. Digitale Regler. 39 3.3. Regelkreise 397 3.3.1. Einteilung, Aufgaben und Kennwerte von Regelkreisen.. 397 3.3.2. Zweipunktregelkreise 400 3.3.3. Zweilaufregelkreise 408 3.3.4. Lineare Regelkreise 410 3.3.4.1. Allgemeine Ubertragungsfunktion dos einschleifigen linearen Regelkreises 410 3.3.4.2. P-Regelkreise 411 3.3.4.3. I-Regelkreise 415 3.3.4.4. ri-regelkreise 417 3.3.4.5. Regelkreise mit D-Anteil 418 3.3.5. Gütekritei'ien, Einstellregeln für lineare; einschleifigc Regelkreise 419 3.3.6. Stabilitätskriterien 421 3.3.7. Eignung verschiedener Reglertypen bei verschiedenen Bedingungen lind Anforderungen 428 3.3.8. Vermasehte Regelkreise. 428 4. Schaltsysteme 434 4.1. Grundzüge der Schaltalgebra 434 4.1.1. Logische Verknüpfungen. 435 4.1.2. Reehengosetzo und Rechenregeln 438

12 Inhaltsverzeichnis 4.1.3. Begriffe 444 4.1.4. Kürzungsverfahren, 446 4.1.5. Folgeschaltungen. ; 448 4.2. Baugruppe zum Aufbau von Schaltsystemen 460 4.2.1. Baugruppen mit Halbleiterbauelementen 461 4.2.2. Baugruppen mit pneumatischen Baueleirienlen 463 4.3. Beispiel für den Entwurf von Schaltsystemen 464 5. Lösungen der Aufgaben und Übungen 480 Literaturverzeichnis 529 Anhang ' 530 Sachwörterverzeichnis 541