Einführung in die Regelungstechnik von Heinz Mann und Horst Schiffelgen 6., bearbeitete und erweiterte Auflage, mit 349 Bildern Carl Hanser Verlag München Wien
Formelzeichen XII Einleitung 1 1 Steuerung und Regelung 3 1.1 Regelung 3 1.2 Steuerung 6 1.3 Die Darstellung von Regelkreisen im Signalflußplan (Blockschaltbild)... 7 2 Untersuchung, Einteilung und Kennzeichnung von Regelkreisgliedern 15 2.1 Verschiedenartige Eingangssignale zur Ermittlung des Zeitverhaltens von Regelkreisgliedern 15 2.2 Übergangsfunktion 17 2.3 Frequenzgang, Ortskurve, Bode-Diagramm und Übertragungsfunktion.. 18 2.4 Berechnung des Frequenzgangs aus der Differentialgleichung 22 2.5 Verknüpfung von Regelkreisgliedern 24 2.6 Übertragungsfunktion, Frequenzgang und Übergangsfunktion elementarer Übertragungsglieder 30 2.6.1 Proportionalglied ohne Verzögerung (P-Glied) 30 2.6.2 Proportionalglied mit Verzögerung 1. Ordnung (P-T l -Glied) 31 2.6.3 Proportionalglied mit Verzögerung 2. Ordnung (P-T 2 -G\'\ed) 33 2.6.4 Totzeitglied (T t -Glied) 42 2.6.5 Integrationsglied ohne und mit Verzögerung (/-Glied bzw. /-^-Glied) 43 2.6.6 Diff eren,; i a ti ons gli e d ohne und mit Verzögerung (D-Glied bzw. >-7\-Glied) 44 2.7 Bode-Diagramme elementarer Übertragungsglieder 45 2.8 Mechanische und elektrische Netzwerke 52 3 Regelstrecken 56 3.1 Statisches und dynamisches Verhalten von Regelstrecken 58 3.2 Regelstrecken ohne Ausgleich 62 3.2.1 Regelstrecken ohne Ausgleich ohne Verzögerung 62 3.2.2 Regelstrecken ohne Ausgleich mit Verzögerung 64 3.3 Regelstrecken mit Ausgleich 66 3.3.1 Regelstrecken mit Ausgleich ohne Verzögerung 66 3.3.2 Regelstrecken mit Ausgleich und Verzögerung 1. Ordnung 67 3.3.3 Regelstrecken mit Ausgleich und Verzögerung höherer Ordnung... 73 3.3.4 Regelstrecken mit Totzeit 78 3.4 Regelbarkeit von Strecken 79
4 Regeleinrichtungen 80 4.1 Einteilung und Benennung 80 4.2 Unstetige Regeleinrichtungen 82 4.2.1 Zweipunktregler 82 4.2.2 Regelkreise mit Zweipunktreglern 83 4.2.2.1 Zweipunktregler an Regelstrecken mit Ausgleich 83 4.2.2.2 Zweipunktregler an Regelstrecken ohne Ausgleich 89 4.2.2.3 Zweipunktregler mit Rückführung 93 4.2.3 Dreipunktregler 97 4.2.3.1 Dreipunktregler mit Transistor-Schaltverstärker 98 4.2.3.2 Dreipunktregler mit Rückführung 99 4.3 Stetige Regeleinrichtungen 102 4.3.1 Proportional wirkende Regler (P-Regler) 103 4.3.2 Integral wirkende Regler (/-Regler) 106 4.3.3 Proportional-integral wirkende Regler (PZ-Regler) 108 4.3.4 Regler mit Vorhalt {PD- und P/D-Regler) 109 4.3.5 Übertragungsfunktion stetiger Regler 114 4.3.6 Stetige Regeleinrichtungen mit Rückführung 115 4.3.6.1 Stetige Regler mit starrer Rückführung 115 4.3.6.2 Stetige Regler mit nachgebender Rückführung 118 4.3.6.3 Stetige Regler mit verzögerter Rückführung 120 4.3.6.4 Stetige Regler mit verzögerter und nachgebender Rückführung 121 5 Der Regelkreis 125 5.1 Das Verhalten des Regelkreises bei Führung und Störung 125 5.2 Stabilitätsfragen 129 5.2.1 Ortskurve von F 0 und Stabilitätsverhalten 134 5.2.2 Negativ-inverser Frequenzgang und Zweiortskurvenverfahren... 140 5.2.3 Bode-Diagramm und Stabilitätsverhalten 144 5.2.4 Der Einfluß von Totzeiten auf das Stabilitätsverhalten 148 5.2.5 Logarithmische Ortskurve und Nichols-Diagramm 151 5.2.6 Wurzelortverfahren 155 5.2.7 Algebraische Stabilitätskriterien 163 5.3 Die Regelgüte 167 5.3.1 Optimierungskriterien 168 5.3.2 Einstellregeln 173 5.4 Korrektur von Regelkreisen 177 5.5 Vermaschte Regelkreise 183 5.5.1 Regelkreis mit Störgrößenaufschaltung 183 5.5.1.1 Regelkreis mit starrer Störgrößenaufschaltung 183 5.5.1.2 Regelkreis mit nachgebender Störgrößenaufschaltung 185
IX 5.5.2 Regelkreis mit Hilfsregelgrößen-Aufschaltung 187 5.5.3 Regelkreis mit zwei in Reihe geschalteten Reglern (Kaskaden- Regelung) 189 5.5.4 Regelkreis mit Störgrößenregelung 191 5.5.5 Mehrfachregelungen 192 5.6 Regeleinrichtung mit Strukturumschaltung ( Anfahren" von Regelkreisen) 193 5.7 Selbsteinstellende (adaptive) Regelungssysteme 194 5.8 Simulation von Regelprozessen 195 5.9 Entwurfsmethoden für Regelkreise 199 5.10 Nichtlinearitäten im Regelkreis 203 6 Gerätetechnische Ausführung von analogen Regelkreisgliedern 211 6.1 Meßeinrichtungen 211 6.1.1 Sensoren 211 6.1.2 Wandler 213 6.1.3 Umformer 215 6.1.4 Vergleicher 218 6.1.5 Fernmessung und Fernübertragung 220 6.2 Rechenglieder 223 6.2.1 Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division von Signalen.. 224 6.2.2 Differentiation und Integration elektrischer Signale 227 6.2.3 Funktionsschaltungen 231 6.3 Verstärker und Regler 232 6.3.1 Elektrische Verstärker und Regler 232 6.3.1.1 Elektrische Verstärker 232 6.3.1.2 Elektrische Regler 241 6.3.2 Pneumatische Verstärker und Regler 247 6.3.2.1 Pneumatische Verstärker 248 6.3.2.2 Pneumatische Regler 249 6.3.3 Hydraulische Verstärker und Regler 256 6.3.3.1 Hydraulische Verstärker 256 6.3.3.2 Hydraulische Regler 258 6.4 Stellglieder und Stellantriebe 259 6.4.1 Stellglieder 259 6.4.1.1 Elektrische Stellglieder 259 6.4.1.2 Stellventile 260 6.4.1.3 Drosselklappen 265 6.4.2 Stellantriebe 265 6.4.2.1 Elektrische Stellmotoren 265 6.4.2.2 Pneumatische Stellmotoren 272 6.4.2.3 Hydraulische Stellmotoren 273 6.4.2.4 Kombinierte Stellmotoren 275
X Inhaltsverzeichnis 7 Digitaltechnik - Digitale Regelungstechnik 279 7.1 Binäre Signale 279 7.1.1 Digitale Signale 280 7.1.2 Zahlensysteme 281 7.1.3 Rechnen mit Dualzahlen 282 7.1.4 Codierung 284 7.2 Signalumsetzung 284 7.2.1 Analog-Digital-Umsetzer (ADU) für mechanische Größen 285 7.2.2 ADU für elektrische Größen 286 7.2.2.1 Sägezahnverfahren 286 7.2.2.2 Dual-Slope-Verfahren 286 7.2.3 Digital-Analog-Umsetzer (DAU) für elektrische Größen 288 7.3 Datenfernübertragung 290 7.4 Digitale Schaltungen 292 7.4.1 Logische Grundfunktionen 292 7.4.2 Logische Schaltnetze 293 7.4.3 Codewandler 295 7.4.4 Sequentielle Schaltwerke 296 7.5 Digitale Regler 301 7.5.1 Einteilung und Benennung 301 7.5.2 Digital-inkrementale Regler 301 7.5.3 Digital-parallelcodierte Regler 302 7.5.4 Digital-seriellcodierte Regler 303 7.5.5 Digitale Abtastregelung, Rechnerregelung 303 7.6 Prozeßsteuerung und -regelung mit dem Prozeßleitsystem 303 7.6.1 Prozeßrechner zur Prozeßsteuerung und -regelung 304 7.6.2 Entwicklungsstufen der Prozeßleittechnik 306 7.6.3 Betriebsarten des Prozeßrechners in der Prozeßdatenverarbeitung (PDV) 308 7.6.4 Prozeßrechner (Realzeitrechner) und periphere Einheiten 310 7.6.5 Speicher für Prozeßrechensysteme 311 7.6.6 Struktur des Prozeßleitsystems (PLS) 321 7.6.6.1 Prozeßbeschreibung mit Fließbildern 322 7.6.6.2 Leitebenenmodell 324 7.6.6.3 Steuerungseinrichtungen 325 7.6.6.4 Digitales verteiltes Prozeßleitsystem 328 7.7 Software der Prozeßrechensysteme 330 7.7.1 Programmierung 330 7.7.2 Programmablaufplan 330 7.7:3 Struktogramm 334 7.7.4 Programmiersprachen 336 7.8 Mikrocomputer als Prozeß- (Realzeit-)Rechner 338 7.8.1 Mikroprozessor 338 7.8.2 Bussystem 340
XI 7.8.3 Ein-/Ausgabe 340 7.8.4 Übertragungsstandards 342 7.8.5 Programmierung 343 7.9 DDC-Regelung mit Mikrocomputer (Direct-Digital-Control) 344 7.9.1 PID-Regelalgorithmen 346 7.9.1.1 Programmablaufplan des Stellungsalgorithmus 348 7.9.2 Assemblerprogramm eines P-Stellungsalgorithmus 349 7.9.2.1 Assemblerprogrammierung 349 7.9.2.2 Rechenregeln für Dualzahlen 350 7.9.2.2.1 Multiplikation 351 7.9.2.2.2 Subtraktion durch Komplementbildung 351 7.9.2.3 Signal-Ein/-Ausgaben 353 7.9.2.4 Arbeitsspeicher, Aufteilung und Adressierung 355 7.9.2.5 Programmablaufplan und Listing des P-Algorithmus 355 7.9.3 DDC Antriebsregelung mit dem Mikrocomputer 364 7.9.3.1 Adaptive-DDC-Antriebsregelung mit dem Mikrocomputer... 365 8 Technische Regelanlagen 368 8.1 Durchflußregelung mit einem thyristorgesteuerten Motorventil 368 8.2 Drehzahlregelung einer Verdichter-Antriebsturbine 369 8.3 Wasserstandsregelung in einem Trommelkessel 371 8.4 Digitale Drehzahlverhältnis-Regelung 373 9 Anhang 375 9.1 Schaltzeichen (Auswahl) 375 9.2 Komplexe Rechnung 385 9.3 Operatorenrechnung und Laplace- bzw. Carson-Transformation (Kurzeinführung) 390 10 Schrifttum 399 10.1 Fachbücher (Auswahl) 399 10.2 Zeitschriften 403 10.3 Normung 403 10.4 Bezugsquellen 404 10.5 Software 404 Sachverzeichnis 407