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E-Book

Einführung in WinFACT

AutorJörg Kahlert
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2009
Seitenanzahl330 Seiten
ISBN9783446420991
CD zum Buch1
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis23,99 EUR

Dieses Buch bietet eine beispielorientierte Einführung in das leistungsstarke Programmpaket WinFACT, das Werkzeuge zur Analyse und Simulation von Regelungssystemen zur Verfügung stellt. Leser erhalten einen schnellen Überblick über die Leistungsmerkmale der einzelnen WinFACT-Softwarekomponenten, werden anhand einer Vielzahl von ausführlichen Beispielen sowie Übungsaufgaben mit der Bedienung vertraut gemacht und finden darüber hinaus eine Menge nützlicher Tipps und Tricks. Schwerpunkt des Buches ist die Vorstellung des blockorientierten Simulationsprogramms BORIS und seiner Add-Ons. Auf CD liegt eine aktuelle Light-Version von WinFACT bei, welche die Bearbeitung sämtlicher Beispiele und darauf aufbauende Untersuchungen gestattet. 

Das Buch wendet sich an Studierende aller Ingenieurausbildungsrichtungen, Auszubildende an Berufs- und Fachschulen für Technik sowie Ingenieure und Techniker in der Industrie. 

Der Autor

Dr.-Ing. Jörg Kahlert leitet seit 1991 ein Ingenieurbüro für Software-Engineering und Automatisierungstechnik. Er lehrt die Fächer "Steuer- und Regelungstechnik" und "Automatisierungstechnik" an der SRH Fachhochschule in Hamm. Auf CD: Light-Version von WinFACT 7, mit der sich Systeme aus bis zu 40 Blöcken simulieren lassen. Für alle im Buch vorgestellten Beispiele und eigene Experimente. In die Simulation können Fuzzy-Systeme mit bis zu drei Ein-/Ausgängen eingebunden werden.

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Leseprobe

3 Blockorientierte Simulation mit BORIS (S. 36-37)

3.1 Übersicht

3.1.1 Anwendungsbereiche von BORIS

Das blockorientierte Simulationssystem BORIS ist zweifelsohne das Kernmodul von Win-FACT – viele Anwender arbeiten sogar ausschließlich mit BORIS. Mit Hilfe von BORIS erstellen Sie Simulationsstrukturen nach dem Baukastenprinzip: Zunächst suchen Sie sich aus der Systemblock-Bibliothek die für Ihr Problem passenden Blocktypen zusammen, parametrieren diese dann in geeigneter Weise und verbinden sie schließlich über entsprechende Signalleitungen miteinander. Alles andere übernimmt BORIS für Sie – Sie müssen also weder ein numerisches Integrationsverfahren zur Lösung der Simulationsgleichungen programmieren, noch sich um die Realisierung der Simulationsschleife oder gar die Ermittlung der korrekten Abarbeitungsreihenfolge der einzelnen Systemblöcke kümmern.

Auch wenn ein Großteil der WinFACT-Anwender BORIS speziell zur Simulation regelungstechnischer Systeme – also Regelstrecken und Regelkreise – nutzt, lassen sich mit BORIS prinzipiell beliebige dynamische Systeme simulieren, da die zugrunde liegenden mathematischen Modelle (z. B. Funktions- und Differentialgleichungen) immer dieselben sind. Digitalschaltungen aus Logikgattern, Flip-Flops oder auch Zählern lassen sich daher genau so verarbeiten wie analoge und digitale Filter oder Populationsdynamiken aus der Biologie (Bevölkerungswachstum, Räuber-Beute-Systeme etc.). Selbstverständlich können Sie BORIS durchaus auch zur Simulation von elektrischen Netzwerken benutzen – auch wenn es dafür sicherlich besser geeignete Programme wie z. B. PSPICE gibt [HEINEMANN09].

Die Bezeichnung Simulationssystem ist aber nur die halbe Wahrheit: BORIS kann durchaus mehr als „nur“ zu simulieren, wir werden im Rahmen dieses Kapitels detailliert darauf eingehen. Hier daher zunächst nur einige weitergehende Anwendungsbereiche von BORIS in Stichpunkten:

• Messwerterfassung und Signalanalyse
• Regelkreisanalyse und -synthese im Zeit- und Frequenzbereich
• Identifikation von Regelstrecken
• Systemoptimierung
• automatische Codegenerierung für nahezu beliebige Zielsysteme
• Prozessführung und -visualisierung
• Konfigurierung und Parametrierung von Hardwarebaugruppen.

Neben den bekannten konventionellen Systemen können dabei insbesondere auch Systeme mit Fuzzy- und/oder Neuro-Komponenten verarbeitet werden.

Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort6
Inhaltsverzeichnis8
Einleitung14
1 Der erste Schritt – Installation von WinFACT18
1.1 Ablauf des Installationsvorgangs18
1.2 Verfügbare Programmversionen und Lizenzformen20
1.3 Einschränkungen der Begleit-Software zum Buch21
1.4 Installation weiterer Komponenten21
2 Aller Anfang ist schwer – ein erster Streifzugdurch WinFACT23
2.1 Was ist WinFACT?23
2.2 WinFACT-Programmkomponenten25
2.3 WinFACT-Dateioperationen28
2.4 WinFACT-Dateitypen31
2.5 Arbeiten mit Blocklisten32
2.6 Arbeiten mit Übertragungsfunktionen35
3 Blockorientierte Simulation mit BORIS37
3.1 Übersicht37
3.1.1 Anwendungsbereiche von BORIS37
3.1.2 Komponenten des BORIS-Hauptfensters38
3.1.3 Laden und Speichern von Dateien40
3.2 Einführendes Beispiel: Simulation einer Kfz-Dynamik41
3.2.1 Blockschaltbild des Kfz-Modells41
3.2.2 Umsetzung in BORIS43
3.2.3 Einfügen und Anordnen der Systemblöcke43
3.2.4 Parametrieren der Blöcke48
3.2.5 Ziehen der Verbindungen54
3.2.6 Simulation60
3.2.7 Kommentierung der Simulationsstruktur63
3.3 Arbeiten mit Systemblöcken67
3.3.1 Erscheinungsbild von Blöcken68
3.3.2 Einfügen neuer Blöcke69
3.3.3 Selektieren von Blöcken70
3.3.4 Verschieben von Blöcken70
3.3.5 Löschen von Blöcken71
3.3.6 Drehen von Blöcken71
3.3.7 Kopieren und Einfügen von Blöcken72
3.3.8 Parametrierung von Blöcken72
3.3.9 Passive Blöcke74
3.3.10 Ändern der Blockgröße75
3.4 Verbindungen76
3.4.1 Automatische und manuelle Verbindungen77
3.4.2 Ziehen automatischer Verbindungen78
3.4.3 Ziehen und Bearbeiten manueller Verbindungen80
3.4.4 Umwandeln von Verbindungen82
3.4.5 Löschen von Verbindungen83
3.4.6 Farben von Verbindungen83
3.4.7 Anzeige der Blockverbindungen84
3.5 Arbeiten mit Signalquellen und -senken84
3.6 Alles unter Kontrolle – Steuerung der Simulation87
3.6.1 Grundlegende Simulationsparameter87
3.6.2 Starten und Stoppen der Simulation88
3.6.3 Einzelschrittmodus und Breakpoints89
3.6.4 Hinweise zur Wahl von Schrittweite und Integrationsverfahren90
3.6.5 Arbeiten im Echtzeitbetrieb92
3.6.6 Kontrollausgaben während der Simulation93
3.6.7 Überwachung von Blöcken95
3.6.8 Parameteränderungen während der Simulation96
3.6.9 Was tun bei algebraischen Schleifen?96
3.7 Arbeiten mit Exportparametern98
3.7.1 Bedeutung von Exportparametern98
3.7.2 Simulationsgesteuerte Variation von Exportparametern100
3.8 Arbeiten mit Superblöcken103
3.8.1 Wozu dienen Superblöcke?103
3.8.2 Erstellung von Superblöcken103
3.8.3 Ein- und Ausgänge von Superblöcken106
3.8.4 Superblöcke und Labels107
3.8.5 Signalquellen und -senken in Superblöcken109
3.8.6 Exportieren von Parametern110
3.8.7 Benutzerdefinierte Block-Bitmaps111
3.9 Automatisierte Durchführung von Simulationsreihen (Batch-Betrieb)112
3.10 Direkte Ermittlung von Frequenzgängen118
3.11 Die BORIS-Systemblock-Bibliothek120
3.11.1 Blöcke zur Signalgenerierung121
3.11.2 Blöcke zur Visualisierung und Weiterverarbeitung von Simulationsergebnissen126
3.11.3 Blockgruppe Quellen137
3.11.4 Blockgruppe Dynamik138
3.11.5 Blockgruppe Statik140
3.11.6 Blockgruppe Regler141
3.11.7 Blockgruppe Stellglieder143
3.11.8 Blockgruppe Funktion143
3.11.9 Blockgruppe Digital144
3.11.10 Blockgruppe Aktion147
3.11.11 Blockgruppe Kommunikation147
3.11.12 Blockgruppe Simulation148
3.11.13 Blockgruppe Senken149
3.11.14 Blockgruppe Sonstige152
3.11.15 Blockgruppe VirtInstr154
3.12 Do it yourself – So erweitern Sie die Systemblock-Bibliothek um eigene Blöcke155
3.13 Entwurf von PID-Reglern161
3.13.1 Entwurfsverfahren161
3.13.2 PID-Entwurf nach Einstellregeln161
3.14 Numerische Optimierung von Systemparametern170
3.15 Gesucht – gefunden: Navigieren in Systemstrukturen174
3.15.1 Struktur-Übersicht174
3.15.2 Suchen nach Systemblöcken176
3.15.3 Suchen nach Textblöcken178
3.16 Der letzte Schliff – Arbeiten mit Textblöcken, Gruppenrahmen und Bitmap-Grafiken179
3.16.1 Textblöcke180
3.16.2 Gruppenrahmen182
3.16.3 Bitmap-Grafiken184
3.17 Für alles offen – Kommunikation und Datenaustausch mit anderen Programmen186
3.18 Arbeiten mit Hardware-Treibern187
3.19 Was Sie sonst noch wissen sollten192
3.19.1 Verwaltung von Alarmen und Meldungen192
3.19.2 Zugriffsschutz193
3.19.3 Revisions-Kontrollsystem194
3.19.4 Benutzerdefinierte Einstellungen194
3.20 Ausgewählte Simulationsbeispiele197
3.20.1 Nichtlineares Fadenpendel197
3.20.2 Mechanischer Schwinger199
3.20.3 Verladekran200
3.20.4 Gekoppelte Dynamos204
3.20.5 Drei-Körper-Problem206
3.20.6 Fadenpendel mit Anschlag208
3.20.7 Springender Ball211
3.20.8 Beschleunigungsvorgang bei Pkw213
3.20.9 Drehzahlregelung eines Gleichstromantriebs219
3.20.10 Stabilisierung eines inversen Doppelpendels223
3.20.11 Digitale Regelung227
3.20.12 Feder-Masse-System mit Anschlägen229
3.20.13 Lithium-Cluster-Dynamik232
3.20.14 Miniwelt: Bevölkerung, Konsum, Umweltbelastung236
3.20.15 Weitere regelungstechnische Simulationsbeispiele239
3.21 Lust auf mehr? BORIS-Add-Ons241
3.21.1 Flexible Animation Builder241
3.21.2 State Machine Workbench246
3.21.3 PID Design Center252
3.21.4 System Identification Center253
3.21.5 AutoCode-Generator253
3.21.6 Soft-SPS257
3.21.7 OPC Client/Server Toolbox258
3.21.8 ODBC-Toolbox259
3.21.9 VBScript-Modul259
3.21.10 Datenlogger260
3.21.11 FTP-Toolbox261
3.21.12 Universelles RS-232-Modul261
3.21.13 Sollwert-/Kennliniengenerator261
4 Systemidentifikation mit IDA262
4.1 Prinzip der experimentellen Systemidentifikation262
4.2 Anwendungsbeispiel262
4.3 Weitere Leistungsmerkmale von IDA269
5 Analyse linearer Systeme mit LISA272
5.1 Leistungsumfang272
5.2 Anwendungsbeispiel272
5.3 Weitere Leistungsmerkmale276
6 Reglerentwurf im Frequenzbereich mit RESY280
6.1 Leistungsumfang280
6.2 Anwendungsbeispiel282
7 Aufbereitung von Daten mit INGO287
7.1 Übersicht287
7.2 Leistungsmerkmale288
8 Simulation und Synthese von Zustandsregelkreisen mit SUSY293
8.1 Leistungsumfang293
8.2 Anwendungsbeispiel294
9 Entwurf und Simulation von Fuzzy-Systemen298
9.1 Leistungsmerkmale der Fuzzy-Shell FLOP298
9.2 Linguistische Variablen und Terme299
9.2.1 Einfügen neuer Variablen299
9.2.2 Bearbeiten von Variablen301
9.3 Erstellen der Regelbasis303
9.3.1 Regelbasis-Fenster303
9.3.2 Regelbasis-Editor im Tabellen-Modus304
9.3.3 Regelbasis-Editor im Matrix-Modus306
9.4 Operatoren, Inferenzmechanismus und Defuzzifizierung307
9.4.1 Operatoren für UND- und ODER-Verknüpfung307
9.4.2 Inferenzmechanismus und Defuzzifizierung307
9.5 Systemanalyse im Debug-Modus308
9.5.1 Aktivierung des interaktiven Debug-Modus308
9.5.2 Variablenfenster im Debug-Modus309
9.5.3 Regelbasis-Editor im Debug-Modus310
9.5.4 Kennlinien- und Kennfelddarstellung311
9.5.5 Trace-Modus313
9.6 Analyse des Systems durch Simulation314
9.6.1 Nutzung des internen Simulators314
9.6.2 Simulation mit BORIS314
9.7 Kommunikation mit anderen Anwendungen über DDE315
9.7.1 Betrieb als DDE-Server316
9.7.2 Betrieb als DDE-Client316
9.8 Generierung von C-Code317
10 Die Trainingsprogramme SIM-Trainer und BODE-Trainer319
10.1 SIM-Trainer319
10.2 BODE-Trainer320
Formelverzeichnis322
Literaturverzeichnis324
Index325
Die Internetseite zum Buch329

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