Grundriß der praktischen Regelungstechnik mit 32 Tabellen
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
München [u.a.]
Oldenbourg
2000
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| Ausgabe: | 20., durchges. Aufl. |
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| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
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| adam_text | Titel: Grundriß der praktischen Regelungstechnik
Autor: Samal, Erwin
Jahr: 2000
Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur 18. Auflage XV
Teil I. Grundlagen der Regelungsteclinik
1. Grundbegriffe
1.1 Einleitung 1
1.2 BenennungenundBegriffe 2
1.3 Aufgabe der Regelung 3
1.4 Die Regelstrecke 6
1.5 DasStellgliedundderStellantrieb 10
1.6 Hand-Regelung 17
1.7 Selbsttatige Regelung 22
1.7.1 DerRegler 22
1.7.2 Die MeBeinrichtung 23
1.8 Der Regelkreis 27
1.9 DasVerhaltenderRegelgroBebeiStorungundFiihrung ... 33
1.9.1 DasStorverhalten 33
1.9.2 Fiihrungsverhalten 36
1.10 Andere VerfahrenzumKonstanthaltenvonGroBen 37
1.10.1 Konstanthaltendurch AusnutzungphysikalischerEffekte . . 37
1.10.2 KonstanthalteneinerGroBedurchkonstruktiveMaBnahmen 40
1.10.3 Steuerungen 40
1.11 Anwendungsschwerpunkte der Regelungstechnik 44
1.12 Aufgabe des Regelungstechnikers 46
1.13 Die mathematischeTheorie der Regelung 48
1.14 Regelungstechnische Begriffe zu Abschnitt 1 51
2. Die Regelstrecke
2.1 Das Verhalten von Regelstrecken im Beharrungszustand ... 55
2.1.1 Das Kennlinienfeld der Regelstrecke 57
VI Inhaltsverzeichnis
2.1.2 Die Abweichung vom Arbeitspunkt 58
2.1.3 Die Ubertragungsbeiwerte derRegelstrecke 60
2.1.4 DerStellbereich 62
2.1.5 Regelstrecken ohne Beharrungszustand 63
2.2 Stell- und Stor-Sprungantworten der Regelstrecke 64
2.3 Regelstrecken mit Ausgleich 66
2.3.1 Verzogerungsarme Regelstrecken 69
2.3.2 Regelstrecken mit einer Verzogerung(l. Ordnung) 72
2.3.3 Regelstrecken mit zwei Verzogerungen (2. Ordnung) 83
2.3.4 Regelstrecken mit schwingendem Verhalten 85
2.3.5 Regelstrecken nur mit Totzeit 88
2.3.6 Regelstrecken mit vielen Verzogerungen (Regelstrecken
hoherer Ordnung) 90
2.4 Regelstrecken ohne Ausgleich 96
2.5 Kennwerte von Regelstrecken 102
2.6 Aufnahme der Sprungantwort 104
2.7 Atlas von Sprungantworten idealer Regelstrecken 106
2.8 Grenzen in der Anwendung der Sprungantworten 107
2.9 Regelstrecken mit mehreren in Reihe geschalteten, verzoge-
rungsbehafteten Gliedern 110
2.10 Formelzeichen und regelungstechnische Begriffe zu
Abschnitt2 115
3. Stetige Regler (P-und I-Regler)
3.1 Einteilung der Regler 119
3.1.1 Hilfsenergie 121
3.1.2 AllgemeineszudenverschiedenenReglerbauarten 123
3.2 Der P-Regler (Proportionaler Regler) 124
3.2.1 Der klassische Drehzahlregler als Beispieleines stetigen
Reglers 124
3.2.2 Proportionalbereich (P-Bereich) 127
3.2.3 Beispiele von P-Reglern ohne und mit Hilfsenergie 130
3.2.4 Kennlinie des P-Reglers 137
Inhaltsverzeichnis VII
3.2.5 Gleichung des P-Reglers 138
3.2.6 Die bleibende Regeldifferenz 141
3.2.7 Sprungantwort des P-Reglers 143
3.3 Der I-Regler (Integraler Regler) 145
3.3.1 Regler mit Steuerkolben als Beispiel eines I-Reglers mit Hilfs-
energie 145
3.3.2 WeitereBeispielevonl-Reglern 147
3.3.3 Kennlinie des I-Reglers 150
3.3.4 Sprungantwort des I-Reglers 152
3.3.5 Gleichung des I-Reglers 154
3.3.6 Gegeniiberstellung von P-und I-Regler 156
3.4 RegelungstechnischeBegriffezu Abschnitt3 157
4. Stetige Regler (PI-, PD- und PID-Regler)
4.1 DerPI-Regler 159
4.1.1 Sprungantwort des PI-Reglers 159
4.1.2 Gleichung des PI-Reglers 160
4.1.3 Erzeugen des Pl-Verhaltens durch 162
a) Uberlagerung der Verstellungen eines P- und eines
I-Reglers 162
b) Zahe Dampfung 164
c) Riickfiihrung 167
4.1.4 Starre Ruckfiihrung 168
4.1.5 Nachgebende Ruckfiihrung 176
4.1.6 PI- und PID-Regler mit sehrgroBen Proportionalbereichen . 185
4.2 Der PD-und PID-Regler 186
4.2.1 Anstiegsantwort des PD-und PID-Reglers 188
4.2.2 Erzeugen des D-Verhaltens 193
a) Bildungder Anderungsgeschwindigkeit der RegelgroBe . 194
b) Verzogerte Ruckfiihrung 197
4.2.3 Vorhaltverstarkung, Vorhaltiiberhohung 201
4.2.4 Gegeniiberstellung von P-, I-, PI- und PID-Regler 207
4.3 RegelungstechnischeBegriffezu Abschnitt 4 209
VIII Inhaltsverzeichnis
5. Regelkreise mit stetigen Reglern
5.1 Allgemeineszur Arbeitsweise von Regelkreisen mit stetigen
Reglern 212
5.1.1 Das Anfahren des Regelkreises 213
5.1.2 Stabiles undinstabiles Verhalten des Regelkreises 214
5.1.3 Das Storverhalten des Regelkreises 218
5.1.4 Das Fiihrungsverhalten des Regelkreises 219
5.2 Das rechnerische Einschleusen der StorgroBen in den Regel-
kreis 219
5.2.1 Der Angriffspunkt der StorgroBen 220
5.2.2 Umrechnen der StorgroBen auf die StellgroBe 222
5.2.3 EinfluBnichtidealerRegelstrecken-Kennlinien 223
5.3 DieTrennstellezwischenRegelstreckeundRegler 224
5.4 Das statische Verhalten des Regelkreises 226
5.4.1 Ermittlungdesstatischen VerhaltensmitHilfederKennlinie . 227
5.4.1.1 Regelstrecke mit Ausgleich, P-oder PD-Regler 228
5.4.1.2 Regelstrecke mit Ausgleich, I-, PI-oder PID-Regler 230
5.4.2 Berechnungder bleibenden Regeldifferenz (P- oder PD-
Regler) 230
5.4.3 Zusammenhang zwischen Proportionalbereich und Kreisver-
starkung 236
5.5 Das dynamische Verhalten des Regelkreises 237
5.5.1 Das dynamische Verhalten beiP-Reglern 238
5.5.1.1 Verzogerungsfreie Regelstrecke 238
5.5.1.2 Regelstrecke mit einer Verzogerung 240
5.5.1.3 Regelstrecke mit zwei oder mehreren Verzogerungen .... 242
5.5.1.4 Regelstrecke mit Verzugszeit und Ausgleichszeit 245
5.5.1.5 Regelstrecke mit Totzeit 249
5.5.1.6 RegelstreckeohneAusgleich 252
5.5.2 Das dynamische Verhalten bei I-Reglern 254
5.5.2.1 Verzogerungsfreie Regelstrecke . 254
5.5.2.2 Regelstrecke mit einer Verzogerung 256
5.5.2.3 Regelstrecke mit Verzugs- und Ausgleichszeit 258
Inhaltsverzeichnis IX
5.5.2.4 RegelstreckenurmitTotzeit 260
5.5.2.5 Regelstrecke ohneAusgleich 263
5.5.3 Das dynamische Verhalten bei PI- und PID-Reglern 264
5.5.4 Einheitsregler 268
5.5.5 WelcherReglerpaBtzuwelcher Regelstrecke? 271
5.6 Optimale Reglereinstellung 278
5.6.1 Die Regler-Parameter 278
5.6.2 DieStabilitiitsgrenzealsGrenzederRegeleinstellung .... 279
5.6.3 Gibteseineallgemeingiiltige, optimale Reglereinstellung? . . 279
5.6.4 MaBstabe fur die Regelgiite bei einer sprungweisen Storung
bzw. FuhrungsgroGenanderung 280
5.6.5 Die verschiedenartigen Anforderungen an die Regelgiite . . . 282
5.6.6 Die wichtigsten Methoden fur die optimale Reglereinstellung
bei einer sprungweisen Storung 283
a) Einstellen nach den KenngroBen der Sprungantwort . . . 283
b) Einstellen nach der Stabilitatsgrenze 286
c) Einstellen nach dem Verlauf der RegelgroBe bei einer
Storung 288
5.6.7 Griinde, warum in der Praxis die optimale Reglereinstellung oft
ziemlichunscharfist 289
5.7 Dieim einschleifigen Regelkreis erzielbare Regelgiite .... 290
5.8 Erhohung der Regelgiite 294
5.9 Regelungstechnische Begriffe zu Abschnitt 5 296
6. Unstetige Regler ohne Riickfuhrung
6.1 Vergleichzwischenstetigenundunstetigen Reglern 298
6.2 ZweipunktreglerohneHilfsenergie 299
6.2.1 Sprungschaltung, Schaltdifferenz 300
6.2.2 KennliniedesZweipunktreglers 306
6.3 DreipunktreglerohneHilfsenergie 307
6.3.1 Kennlinie des Dreipunktreglers 310
6.4 Zwei-undDreipunktreglermitHilfsenergie 310
6.5 Regelungstechnische Begriffe zu Abschnitt 6 321
X Inhaltsverzeichnis
7. Regelkreise mit unstetigen Reglern ohne Riickfiihrung
7.1 Verlaufdcr RegelgroBc nach SchlicGen dcs Regclkrciscs . . . 323
7.1.1 Regelstrecken mit einer Verzogerung(l. Ordnung) 323
7.1.2 Regelstrecken mit vielen Verzogerungen (hoherer Ordnung) . 330
7.1.2.1 Der EinfluB des Stellbereiches 335
7.1.3 Regelstrecken ohne Ausgleich 342
7.2 MaGnahmenzumVerkleinernderSchwankungsbreite .... 345
7.2.1 VerringernderSchaltdifferenz 346
7.2.2 VerkleinernderVerzugszeitundTotzeit 346
7.2.3 VergroBern der Ausgleichszeit 347
7.2.4 Herabsetzen des Leistungsiiberschusses 348
7.2.4.1 Grundlast 348
7.2.4.2 Dreipunktregler 351
7.2.5 Riickfiihrung 357
7.3 Das Stor-und Fiihrungsverhalten des Regelkreises 357
7.3.1 Storverhalten 358
7.3.1.1 StorgroBeistMassendurchfluB 358
7.3.1.2 StorgroGe ist Leistungszufuhrzur Regelstrecke (Versorgungs-
storungen) 362
7.3.1.3 Sonstige StorgroBen 363
7.3.2 Fiihrungsverhalten 365
7.4 Regelungstechnische Begriffe zu Abschnitt 7 366
8. Regelkreise mit unstetigen Reglern mit Riickfiihrung
(quasistetiges Verhalten)
8.1 Vor-und Nachteile des Zweipunktreglers ohne Riickfiihrung . 368
8.2 Die schubweise Energiezufuhr als Ursache der Schwankungs-
breite 369
8.3 Zweipunktregler mit verzogerter, einseitiger Riickfiihrung
(PD-Verhalten) 370
8.4 Zweipunktregler mit verzogerter, doppelseitiger Riickfiihrung
(PD-Verhalten) 380
Inhaltsverzeichnis XI
8.5 Der EinfluG der Riickfiihrspannung auf Schwankungsbreite,
bleibende Regelabweichung, Anfahrverhalten und Schalt-
haufigkeit 383
8.6 Zweipunktregler mit verzogerter, nachgebender Riickfiihrung
(PID-Verhalten) 386
8.7 Regelungstechnische Begriffe zu Abschnitt8 392
9. Dreipunktregler mit quasistetigem Verhalten
9.1 Griinde, warum Elektromotoren als Stellantriebe an vielen
Stellen bevorzugt werden 393
9.2 Grenzwerteinheit 394
9.3 Grenzwertregler(I-Verhalten) 396
9.4 Schrittregler(PI-Verhalten) 398
9.5 Regelungstechnische Begriffe zuAbschnitt 9 404
10. Mehrschleifige Regelkreise zum Verbessern der Regelgiite
10.1 Arbeitsweise und Blockschemata der wichtigsten mehrschlei-
figen Regelkreise 406
10.2 BeispielevonmehrschleifigenRegelkreisen 408
11. Regler mit veranderlicher Fiihrungsgrofie
11.1 Zeitplan-Regelung 417
11.1.1 Hinweise, die bei der Projektierung von Zeitplanregelungen
beachtet werden miissen 420
11.2 Kaskaden-Regelung 423
11.3 Folgeregelung 423
11.4 SteuernundRegeln 428
11.5 Regelungstechnische Begriffe zuAbschnitt 11 435
XII Inhaltsverzeichnis
12. Projektierung groBerer verfahrenstechnischer Anlagen
12.1 Funktionelle Darstellung 437
12.1.1 DerMSR-Stellen-Kreis 437
12.1.2 EinwirkungenderMSR-EinrichtungenaufdieStrecke .... 439
12.1.3 Die Kennbuchstaben 439
12.1.4 Instrumentierungsbeispiele verfahrenstechnischer Anlagen . 440
12.1.5 SinnbilderfiirdenEinsatzvonProzeBrechner 445
12.2 Geratetechnische Darstellung 447
12.2.1 MeBaufnehmer 448
12.2.2 MeBumformer 448
12.2.3 Ausgabegerate 451
12.2.4 Regler 452
12.2.5 Beispiel geratetechnischer Darstellung 452
12.3 UnterschiedezuinternationalenNormen 454
12.4 Regelungstechnische Begriffezu Abschnittl2 456
Teil II. Digitale Regelungstechnik
13. Einfiihrung in die digitale Regelungstechnik 457
13.1 Vorbemerkungen 457
13.2 Unterschiedliche Arten digitaler Regelsysteme 458
13.3 Der digitale Regelkreis 460
13.4 Vor-undNachteile digitaler Regelungen 463
14. Analoge und digitale Signale 466
14.1 Analoge Signale 466
14.2 Digitale Signale 469
14.3 Binare Signale 473
15. Mikrorechner und Mikroprozessoren 475
15.1 Aufbau von Mikrorechner und Mikroprozessoren 475
15*1.1 Mikrorechner 477
Inhaltsverzeichnis XIII
15.1.2 Mikroprozessoren 479
15.1.2.1 Das Rechenwerk 480
15.1.2.2 Das Steuerwerk 482
15.1.2.3 Die Zusatz-Register 483
15.1.3 Speicher 484
15.1.3.1 Die Bedeutungder Speicher im Mikrorechner 484
15.1.3.2 Schreib-Lese-Speicher (RAM) 485
15.1.3.3 Festwertspeicher (ROM) 486
15.1.3.4 Periphere Speicher 486
15.1.4 Ein-/Ausgabe 487
15.1.4.1 Digitale Ein-/Ausgabe 487
15.1.4.2 AnalogeEin-/Ausgabe 489
15.1.4.3 Unterbrechungssignale 491
15.1.4.4 AnschluGvonBediengeraten 491
15.2 DarstellungvonDateninMikrorechnern 492
15.2.1 Grundlegende UberJegungen 492
15.2.2 Bits und Bytes 494
15.2.3 Textdarstellungin Rechnern 496
15.2.4 Zahlendarstellung in Rechnern 498
15.2.4.1 Der BCD-Code 499
15.2.4.2 Das Dualsystem 500
15.2.4.3 Negative Zahlen 506
15.2.4.4 Festkommazahlen 509
15.2.4.5 Gleitkommazahlen 511
15.3 Befehle und Programme 512
15.3.1 Maschinensprache 513
15.3.1.1 Aufbau und Ausfiihrung eines Befehls 513
15.3.1.2 DieverschiedenenBefehlsgruppen 516
15.3.2 Assemblersprache 517
15.3.3 Hohere Programmiersprachen 519
15.3.4 Anwenderprogramme 520
16. Signalumsetzer 522
16.1 Analog-Digital-Umsetzer 522
XIV Inhaltsverzeichnis
16.1.1 Weg-AVinkel-Umsetzer 522
16.1.1.1 Inkrementelle Weg-/Winkel-Umsetzer 522
16.1.1.2 Absolute Weg-/Winkel-Umsetzer 525
16.1.2 Analog-Digital-UmsetzerfiirelektrischeSpannungen .... 528
16.1.2.1 Zwei-Rampen-Spannungs-Umsetzer 529
16.1.2.2 Stufenumsetzer 532
16.1.3 Analog-Digital-UmsetzerfiirKrafte 534
16.2 Datenerfassungssysteme 535
16.3 Digital-Analog-Umsetzer 537
16.3.1 Digital-Analog-Umsetzer fur elektrische Spannungen .... 537
16.3.2 Digitale Stelleinrichtungen 538
16.3.2.1 Stellventil mit digitalem Antrieb 538
16.3.2.2 Schrittmotor 539
17. Digitale Regelung 543
17.1 Abtastvorgang 543
17.1.1 ZusatzlicheTotzeiten 543
17.1.2 Analoge Filter (Anti-Aliasing-Filter) 545
17.2 Regel-Algorithmus 550
17.2.1 P-Regler 552
17.2.2 PD-Regler 553
17.2.3 I-Regler 557
17.2.4 PI-Regler 559
17.2.5 PID-Regler 559
17.3 Geschlossener digitaler Regelkreis 561
17.4 EinfluB der Quantisierung 568
17.5 Digitale ProzeBregler (Kompaktregler) 569
18. Zusammenfassung der digitalen Regelungstechnik 573
SchluBbemerkung 574
Normen, Richtlinien 575
Stichwortverzeichnis 579
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