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Grundriss der praktischen Regelungstechnik

Autor	Christian Spieker, Dirk Fabian, Erwin Samal
Verlag	De Gruyter Oldenbourg
Erscheinungsjahr	2014
Seitenanzahl	228 Seiten
ISBN	9783486854640
Format	ePUB/PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	39,95 EUR

Anders als in mathematisch orientierten Darstellungen stehen die physikalisch-technischen Zusammenhänge und die praktische Regelungstechnik im Vordergrund dieses vollständig überarbeiteten Standardwerkes. Soweit mathematische Hilfsmittel für den Praktiker hilfreich sind, werden sie eingesetzt. Alle wesentlichen Fragen der praktischen - analogen und digitalen - Regelungstechnik sind behandelt; zahlreiche der Praxis entnommene Beispiele illustrieren die Verfahren.

Erwin Samal, Christian Spieker, Dirk Fabian

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort	5
Teil I. Grundlagen der Regelungstechnik	13
1 Grundbegriffe	15
1.1 Einleitung	15
1.2 Benennungen und Begriffe	16
1.3 Aufgabe der Regelung	16
1.4 Die Regelstrecke	18
1.5 Das Stellglied und der Stellantrieb	20
1.6 Der Regler	26
1.7 Die Messeinrichtung	27
1.8 Der Regelkreis	28
1.9 Das Verhalten der Regelgröße bei Störung und Führung	29
1.9.1 Das Störverhalten	29
1.9.2 Führungsverhalten	31
1.10 Anwendungsschwerpunkte der Regelungstechnik	32
1.11 Aufgabe des Regelungstechnikers	32
1.12 Regelungstechnische Begriffe zu Abschnitt 1	35
2 Die Regelstrecke	37
2.1 Das Verhalten von Regelstrecken im Beharrungszustand	37
2.1.1 Das Kennlinienfeld der Regelstrecke	38
2.1.2 Die Abweichung vom Arbeitspunkt	39
2.1.3 Die Übertragungsbeiwerte der Regelstrecke	40
2.1.4 Der Stellbereich	41
2.1.5 Regelstrecken ohne Beharrungszustand	42
2.2 Stell- und Stör-Sprungantworten der Regelstrecke	42
2.3 Regelstrecken mit Ausgleich	44
2.3.1 Verzögerungsarme Regelstrecken	46
2.3.2 Regelstrecken mit einer Verzögerung (1. Ordnung)	48
2.3.3 Regelstrecken mit zwei Verzögerungen (2. Ordnung)	52
2.3.4 Regelstrecken mit schwingendem Verhalten	53
2.3.5 Regelstrecken nur mit Totzeit	54
2.3.6 Regelstrecken mit vielen Verzögerungen (Regelstrecken höherer Ordnung)	55
2.4 Regelstrecken ohne Ausgleich	57
2.5 Kennwerte von Regelstrecken	60
2.6 Aufnahme der Sprungantwort	61
2.7 Atlas von Sprungantworten idealer Regelstrecken	63
2.8 Grenzen in der Anwendung der Sprungantworten	64
2.9 Regelstrecken mit mehreren in Reihe geschalteten, verzögerungsbehafteten Gliedern	66
2.10 Formelzeichen und regelungstechnische Begriffe zu Kapitel 2	69
3 Stetige Regler (P- und I-Regler)	71
3.1 Einteilung der Regler	71
3.1.1 Hilfsenergie	73
3.1.2 Allgemeines zu den verschiedenen Reglerbauarten	74
3.2 Der P-Regler (Proportionaler Regler)	74
3.2.1 Der klassische Drehzahlregler als Beispiel eines stetigen Reglers	74
3.2.2 Der Proportionalbereich (P-Bereich)	77
3.2.3 Kennlinie des P-Reglers	78
3.2.4 Gleichung des P-Reglers	79
3.2.5 Die bleibende Regeldifferenz	81
3.2.6 Sprungantwort des P-Reglers	82
3.3 Der I-Regler (Integraler Regler)	83
3.3.1 Regler mit Steuerkolben als Beispiel eines I-Reglers mit Hilfsenergie	83
3.3.2 Kennlinie des I-Reglers	85
3.3.3 Sprungantwort des I-Reglers	86
3.3.4 Gleichung des I-Reglers	87
3.3.5 Gegenüberstellung von P- und l-Regler	89
3.4 Regelungstechnische Begriffe zu Kapitel 3	90
4 Stetige Regler (PI-, PD- und PID-Regler)	91
4.1 Der PI-Regler	91
4.1.1 Sprungantwort des PI-Reglers	91
4.1.2 Gleichung des Pl-Reglers	91
4.1.3 Erzeugen des PI-Verhaltens	93
4.1.4 Starre Rückführung	94
4.1.5 Nachgebende Rückführung	96
4.1.6 PI- und PID-Regler mit sehr großen Proportionalbereichen	99
4.2 Der PD- und PID-Regler	100
4.2.1 Anstiegsantwort des PD- und PID-Reglers	101
4.2.2 Erzeugen des D-Verhaltens	103
4.2.3 Vorhaltverstärkung, Vorhaltüberhöhung	105
4.2.4 Gegenüberstellung von P-, I-, PI- und PID-Regler	110
5 Regelkreise mit stetigen Reglern	111
5.1 Allgemeines zur Arbeitsweise von Regelkreisen mit stetigen Reglern	111
5.1.1 Das Anfahren des Regelkreises	112
5.1.2 Stabiles und instabiles Verhalten des Regelkreises	112
5.1.3 Das Störverhalten des Regelkreises	115
5.1.4 Das Führungsverhalten des Regelkreises	115
5.2 Das rechnerische Einschleusen der Störgrößen in den Regelkreis	116
5.2.1 Der Angriffspunkt der Störgrößen	116
5.2.2 Umrechnen der Störgrößen auf die Stellgröße	118
5.3 Das statische Verhalten des Regelkreises	118
5.3.1 Ermittlung des statischen Verhaltens mit Hilfe der Kennlinien	118
5.3.2 I-, PI- oder PID-Regler bei Regelstrecken mit Ausgleich	119
5.3.3 Berechnung der bleibenden Regeldifferenz (P- oder PD-Regler)	120
5.4 Das dynamische Verhalten des Regelkreises	122
5.4.1 Das dynamische Verhalten bei P-Reglern	123
5.4.2 Das dynamische Verhalten bei I-Reglern	132
5.4.3 Das dynamische Verhalten bei PI- und PID-Reglern	136
5.4.4 Welcher Regler passt zu welcher Regelstrecke?	137
5.5 Optimale Reglereinstellung	138
5.5.1 Die Regler-Parameter	138
5.5.2 Die Stabilitätsgrenze als Grenze der Regeleinstellung	138
5.5.3 Gibt es eine allgemeingültige, optimale Reglereinstellung?	141
5.5.4 Maßstäbe für die Regelgüte bei einer sprungweisen Störung bzw. Führungsgrößenänderung	142
5.5.5 Die verschiedenartigen Anforderungen an die Regelgüte	143
5.5.6 Die wichtigsten Methoden für die optimale Reglereinstellung bei einer sprungweisen Störung	144
5.5.7 Gründe, warum in der Praxis die optimale Reglereinstellung oft ziemlich unscharf ist	147
5.6 Regelungstechnische Begriffe zu Abschnitt 5	148
6 Unstetige Regler ohne Rückführung	149
6.1 Vergleich zwischen stetigen und unstetigen Reglern	149
6.2 Zweipunktregler ohne Hilfsenergie	149
6.2.1 Sprungschaltung, Schaltdifferenz	150
6.2.2 Kennlinie des Zweipunktreglers	151
6.3 Dreipunktregler ohne Hilfsenergie	152
6.3.1 Kennlinie des Dreipunktreglers	153
6.4 Zwei- und Dreipunktregler mit Hilfsenergie	154
7 Regelkreise mit unstetigen Reglern ohne Rückführung	155
7.1 Verlauf der Regelgröße nach Schließen des Regelkreises	155
7.1.1 Regelstrecken mit einer Verzögerung (1. Ordnung)	155
7.1.2 Regelstrecken mit vielen Verzögerungen (höherer Ordnung)	159
7.1.3 Der Einfluss des Stellbereiches	162
7.1.4 Regelstrecken ohne Ausgleich	166
7.2 Maßnahmen zum Verkleinern der Schwankungsbreite	168
7.2.1 Verringern der Schaltdifferenz	168
7.2.2 Verkleinern der Verzugszeit und Totzeit	168
7.2.3 Vergrößern der Ausgleichszeit	168
7.2.4 Herabsetzen des Leistungsüberschusses	169
7.2.5 Grundlast	169
7.2.6 Dreipunktregler	170
7.2.7 Rückführung	171
7.3 Das Stör- und Führungsverhalten des Regelkreises	171
7.3.1 Störverhalten	172
7.3.2 Führungsverhalten	175
8 Regelkreise mit unstetigen Reglern mit Rückführung (Quasistetiges Verhalten)	177
8.1 Vor- und Nachteile des Zweipunktreglers ohne Rückführung	177
8.2 Die schubweise Energiezufuhr als Ursache der Schwankungsbreite	178
8.3 Zweipunktregler mit verzögerter, einseitiger Rückführung (PD-Verhalten)	179
8.4 Zweipunktregler mit verzögerter, doppelseitiger Rückführung (PD-Verhalten)	182
8.5 Zweipunktregler mit verzögerter, nachgebender Rückführung (PID-Verhalten)	183
9 Dreipunktregler mit quasistetigem Verhalten	187
9.1 Gründe, warum Elektromotoren als Stellantriebe an vielen Stellen bevorzugt werden	187
9.2 Grenzwerteinheit	187
9.3 Grenzwertregler (I-Verhalten)	189
9.4 Schrittregler (PI-Verhalten)	190
10 Mehrschleifige Regelkreise zum Verbessern der Regelgüte	195
10.1 Arbeitsweise und Blockschemata der wichtigsten mehrschleifigen Regelkreise	195
10.1.1 Störgrößenaufschaltung	195
10.1.2 Aufschaltung von Hilfsregelgrößen	196
10.1.3 Hilfsstellgrößen	197
10.1.4 Grob/Fein-Regelung	197
10.2 Beispiele von mehrschleifigen Regelkreisen	197
Teil II. Digitale Regelungstechnik	199
11 Einführung	201
11.1 Vorbemerkungen	201
11.2 Unterschiedliche Arten digitaler Regelsysteme	201
11.3 Der digitale Regelkreis	202
11.4 Vor- und Nachteile digitaler Regelungen	203
12 Analoge und digitale Signale	205
12.1 Analoge Signale	205
12.2 Digitale Signale	207
13 Digitale Regelung	211
13.1 Abtastvorgang	211
13.1.1 Zusätzliche Totzeiten	211
13.1.2 Analoge Filter (Anti-Aliasing-Filter)	212
13.2 Regelalgorithmus	215
13.2.1 P-Regler	215
13.2.2 PD-Regler	216
13.2.3 I-Regler	217
13.2.4 PI-Regler	217
13.2.5 PID-Regler	217
13.3 Geschlossener digitaler Regelkreis	218
13.4 Einfluss der Quantisierung	221
14 Zusammenfassung	223
14.1 Schlussbemerkung	223
Sachverzeichnis	225

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