Automatisierungstechnik kompakt: theoretische Grundlagen, Entwurfsmethoden, Anwendungen ; mit 41 Tabellen
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Braunschweig u.a.
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2000
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| adam_text | Titel: Automatisierungstechnik kompakt
Autor: Zacher, Serge
Jahr: 2000
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Lineare Regelung 1
1.1 Grundstrukturen 1
1.2 Konvergenz des Laplace-Integrals 6
1.3 Frequenzgang 7
1.4 Zeitbereich 10
1.5 Beispiel rait Grundaufgaben 11
1.6 Zusammenhang zwischen Phasenrand und Uberschwingweite 14
1.7 Weitere Kenngrdfien und Zusammenhange 16
1.8 Zustandsraum 17
1.9 Deskriptordarstellung 20
1.10 Stabilitat in Zustandsraumdarstellung 20
1.11 Stabilitatsgrenze direkt 20
1.12 Nyquist-Stabilitatskriterium 21
1.13 Cremer-Leonhard-Michailow-Kriterium 22
1.14 Wurzelorte 23
1.15 Hurwitz-Stabilitatskriterium 25
1.16 Stabilitatskriterium nach Routh 26
1.17 Parameterbedingungen an der Stabilitatsgrenze 27
1.18 Value-Set-Kriterium 29
1.19 Kharitonov-Theorem 30
1.20 Kantensatz 30
1.21 Robuste EingrdBenregelung bei unstrukturierter Unsicherheit 31
1.22 Robuste Stabilitat von Mehrgrobenregelungen 33
1.22.1 Struktur einer additiven Unsicherheit 33
1.22.2 Robuste Stabilitat 34
1.23 Zusammenfassung 35
1.24 Literatur 36
2 Nichtlineare Regelung 37
2.1 Lineare Approximation (Kleinsignal-Linearisierung) 37
2.2 Schaltende Regelungen 2.0rdnung in der Zustandsebene 38
2.3 Isoklinen in der Zustandsebene 43
2.4 Trajektorien der Zustandsebene als Vektorfeld 43
2.5 Beschreibungsfunktion und Spektrum eines nichtlinearen Fuzzy-Reglers 44
2.6 Multimodell 47
VIII
Inhaltsverzeichnis
2.7 Exakte Linearisierung mit Zustandsrtlckfuhrung ^
2.7.1 Definitionen
2.7.2 Nichtlineare Regelstrecke
2.8 Bedingungen fiir die exakte Zustandslinearisierung
2.9 Neuronales Netz mit Backpropagation-Learning 56
2.10 Hinreichendes Stabilitatskriterium nach Lyapunov 56
2.11 ^8
2.12 Literatur 58
CO
3 Digitale Regelung
3.1 Rechnerische Beschreibung eines Tasters 59
3.2 Periodisches Spektrum 61
3.3 lmpuls-Tastung 62
3.4 Tastung mit Rechteck-Halteglied 62
3.5 Rechenoperationen des Digitalreglers 64
3.6 Apparativer Aufbau eines Digitalreglers 65
3.7 z-Transformation 66
3.8 z-RUcktransformation 68
3.9 Konvergenz der z-Summe 69
3.10 LOsung einer Differenzengleichung im Zeit- und Bildbereich 70
3.11 Wahl der Abtastzeit 73
3.12 Shannon-Theorem und Alias-Effekt 73
3.13 Regelkreis 73
3.14 BIBO-Stabilitat 74
3.15 Nyquist-Stabilitatskriterium 76
3.16 w-Ebene 77
3.17 Stabilitat unter Vereinfachungen 78
3.17.1 Stabilitat filr 2.0rdnung 78
3.17.2 Notwendige Stabilitatsbedingungen 78
3.17.3 Hinreichende Stabilitatsbedingungen 79
3.18 Windup-Effekt 80
3.19 Zeitdiskontinuierlicher Zustandsraum 80
3.19.1 KUrzeste (endliche) Ausregelzeit undNachschwingfreiheit 83
3.20 Beispiel eines Regelkreises ohne und mit Halteglied 83
3.21 Zusammenfassung
3.22 Literatur 89
4 Mehrgrfiflenregelung 91
4.1 Wesen der MehrgrOBenregelung 91
4.2 Beschreibung und theoretische Grundlagen von Mehrgr Bensystemen 93
4.2.1 Zustandsbeschreibung
4.2.2 Obertragungsfunktionsmatrix 94
4.2.3 Gewinnung von G(s) aus dem Zustandsmodell 95
4.2.4 MehrgrOBenstrecken in V-kanonischer Struktur 95
4.2.5 Pole und Nullstellen von MehrgrdBensystemen I . 98
4.2.6 SteuerbarkeitundBeobachtbarkeit ,ni
Inhaltsverzeichnis IX
4.2.7 Stability 102
4.3 Strukturen der MehrgrOBenregelungen 102
4.3.1 Standard-MehrgrOBenregelkreis 102
4.3.2 Strukturierte MehrgrOBenregler 106
4.3.3 ZustandsrUckfiihrung 109
4.3.4 Zustandsregelungen mit Beobachter 112
4.3.5 Konstante Ausgangsrtickflihrung 113
4.3.6 Dynamischer Kompensator 115
4.4 Stability linearer MehrgrflBenregelkreise 116
4.4.1 Stability anhand des Zustandsmodells des geschlossenen Systems 117
4.4.2 Stabilitatsprtlfung im Bild- und Frequenzbereich 118
4.5 Literatur 122
5 Fuzzy-Regelung 123
5.1 Einfuhrung 123
5.2 Die Regelbasis - ein linguistisches Modell 123
5.3 Zweiwertige Logik und scharfe Mengen 126
5.3.1 Logische VerknUpfiingen 126
5.3.2 Logisches SchlieBen 128
5.3.3 Scharfe Mengen 129
5.3.4 Die charakteristische Funktion 131
5.4 Fuzzy-Logik und Fuzzy-Mengen 133
5.4.1 Fuzzy-Logik 134
5.4.2 Fuzzy-Mengen 135
5.5 Fuzzy-Regler nach Mamdani 137
5.5.1 Fuzzifizierung 138
5.5.2 Inferenz 139
5.5.3 Defuzzifizierung 144
5.5.4 Einordnung des Reglerkonzepts 146
5.5.5 Reglerentwurf. 149
5.5.6 Beispiel: Fuzzy-Regler nach Mamdani 150
5.6 Fuzzy-Regler nach Sugeno und Takagi 153
5.7 Literatur 155
6 Neuro-Regelung 157
6.1 KUnstliche Neuronale Netze 157
6.1.1 Einftihrung 157
6.1.2 Backpropagation 158
6.2 Einstellregeki mit KNN 160
6.2.1 Erkennung der Stabilitatsgrenze 160
6.2.2 Identifikation mit Backpropagation 162
6.2.3 Identifikation mit Hopfield-Netz 166
6.2.4 Prozessmodellfreier Reglerentwurf 168
6.3 Regelungsstrukturen mit KNN 170
6.4 Regelungstechnische Neuronen 174
6.5 Literatur 176
7 Praktische Einstellregeln fur lineare Regelkreise
7.1 Einteilung von Einstellverfahren
7.2 Einstellen nach Fachwissen
7.2.1 Einstellen von Hand
7.2.2 Einstellen durch Simulation
7.3 Empirische Einstellregeln
7.3.1 Einstellung an unbekannter Regelstrecke
7.3.2 Einstellung an grob approximierter Regelstrecke
7.3.3 Einstellung an fein approximierter Regelstrecke
7.3.4 Einstellen von digitalen Reglern
7.4 Einstellregeln im Zeitbereich
7.5 Einstellregeln im Frequenzbereich
7.5.1 Einteilung
7.5.2 Betragsoptimum
7.5.3 Symmetrisches Optimum
7.5.4 Einstellung filr vorgegebene Oberschwingweite
7.5.5 Einstellung fttr vorgegebene Phasenreserve
7.5.6 Reglerentwurfanhand von Frequenzkennlinien
7.6 Einstellregeln im Pol-Nullstellen-Bild
7.7 Synthese durch Strukturoptimierung
7.7.1 Einteilung von Verfahren
7.7.2 StOrgrOBenaufschaltung und -vorregelung
7.7.3 Regelungmit Hilfsregelgrbften
7.7.4 Regelkreise mit HilfsstellgrOflen
7.8 Modelbasierte Reglerentwurfsverfahren
7.8.1 Einteilung von Verfahren
7.8.2 Kompensationsregler
7.8.3 Smith-PrSdiktor
7.8.4 Dead-Beat-Regler
7.9 Zusammenfassung
7.10 Literatur
8 Regelungen in der elektrischen Antriebstechnik
8.1 Trend zum drehzahlvariablen Drehstromantrieb
8.2 Grundfunktionen drehzahlverSnderbarer Antriebe
8.3 Gleichstromantriebe
8.3.1 Netzgefiihrter Stromrichter
8.3.2 Gleichstromsteller
8.3.3 Regelung des Gleichstromantriebs
8.4 Drehstromantriebe
8.4.1 Der Leistungsteil und seine Steuerung
8.4.2 Drehzahlsteuerung
8.4.3 Die Drehzahlregelung mit unterlagerter Drehmomentsteuerune
8.4.4 Aktuelle Produkte
8.5 Ausblick auf zukUnftige Entwicklungen
Inhaltsverzeichnis XI
8.6 Literatur 239
9 Systemtechnik 241
9.1 Einfilhrung 241
9.2 Vorhandenes System verstehen 242
9.2.1 Ubersicht 242
9.2.2 Klassifizierung 242
9.2.3 Ausschnitt 245
9.2.4 Abschnitt 248
9.2.5 GenShertes Verfahren 250
9.3 System erstellen 262
9.3.1 Ubersicht 262
9.3.2 Projektphasen 262
9.3.3 Erster Durchlauf: Mussziele 264
9.3.4 Zweiter Durchlauf: Sollziele 265
9.3.5 Drifter Durchlauf: Kannziele 265
9.3.6 Funktionalitat erhbhen 266
9.4 Schlusswort 266
9.5 Literatur 267
10 Mechatronik 269
10.1 EinfUhrung 269
10.2 Teilsysteme mechatronischer Systeme 270
10.2.1 Grundsatzlicher Aufbau 270
10.2.2 Sensoren 272
10.2.3 Aktoren 273
10.2.4 Die Informationsverarbeitung 274
10.2.5 Das mechanische System 276
10.3 Modellbildung des mechanischen Systems 277
10.3.1 MehrkOrpersysteme 277
10.3.2 Die Kinematik von MehrkOrpersystemen 279
10.3.3 Die Kinetik von Mehrktirpersystemen 285
10.4 Steuerung und Regelung mechatronischer Systeme 286
10.4.1 Grundsatzlicher Aufbau 286
10.4.2 Die entkoppelte Einzelachsregelung 288
10.4.3 Regelkreissynthese 290
10.4.4 Kompensation des Bahnfehlers 294
10.4.5 Die FUhrungsgrOftenerzeugung 294
10.5 Beispiele mechatronischer Systeme 300
10.5.1 Werkzeugmaschinen 300
10.5.2 Lackieranlagen in der Automobilindustrie 301
10.5.3 Schlauchbeutelmaschine ftir die Verpackungstechnik 303
10.6 Literatur 306
XII
Inhaltsverzeichnis
307
11 Steuerungstechnik
307
11.1 EinfUhrung
11.2 Arten der Steuerung
11.2.1 Aufbau einer Steuerung 309
11.2.2 VPS und SPS - 310
11.2.3 SPS-Projektierung 311
11.3 SPS-Programmiersysteme 3^
11.3.1 Norm IEC-1131-3 312
11.3.2 313
11.3.3 Beispiel eines Programmiersystems 315
11.4 SPS-Programmiersprachen 317
11.4.1 Sprachelemente 317
11.4.2 Darstellung von Variablen 318
11.4.3 Datentypen 319
11.5 Die lEC-Sprachen (Dialekte) 320
11.5.1 Anweisungsliste (Instruction List) 320
11.5.2 Strukturierte Text ST (Structured Text) 321
11.5.3 Kontaktplan (Ladder Diagram) 322
11.5.4 Funktionsbausteinsprache (Function Block Diagram) 325
11.5.5 Ablaufsprache (Sequential Function Chart) 327
11.5.6 Obersetzbarkeit von IEC-Sprachen 329
11.5.7 Derived (abgeleitete) Funktionsbausteine 330
11.6 Simulation. Grafische Aufzeichnung 331
11.7 Aspekte der praktischen Realisierung 333
11.7.1 Auswahlkriterien fUr klassische SPS 333
11.7.2 PC-basierte Steuerungen 335
11.7.3 Aktuelle Marktsituation 337
11.8 Zusammenfassung 338
11.9 Literatur 338
12 Bussysteme der Automatisierungstechnik . 339
12.1 Einfllhrung
12.2 Serielte Bussysteme der Automatisierungstechnik 341
12.2.1 Klassifizierung heutiger Bussysteme 341
12.2.2 Die Punkt-zu-Punkt-Verbindung 345
12.3 Das ISO/OSI-Referenzmodell 347
12.4 Realisierungsmerkmale der Bussysteme der Automatisierungstechnik ..... 348
12.4.1 Topologie 248
12.4.2 Physikalisches Medium der Bussysteme ...Z! . 349
12.4.3 Verbindungsschicht 2a, der Buszugriff . 35 j
12.4.4 Verbindungsschicht 2b, die logischc Ankopplung an das B ussy stem. ! 354
12.4.5 Schjchten 3 bis 6 des ISO/OSI-Referenzmodells 357
12.5 SchnittstellezuAnwenderprogrammen
12.5.1 Definition der Anwenderschnittstelle ¦ 50
12.5.2 Die Anwendungsschicht ^ 359
Inhaltsverzeichnis XIII
12.5.3 Merkmale von FMS 360
12.5.4 ALI/API-Schnittstelle 361
12.5.5 Profile (User Layer) 362
12.6 Merkmale einiger Bussysteme der Automatisierungstechnik 363
12.6.1 Industrial-Ethernet 363
12.6.2 Profibus 365
12.6.3 Interbus-S 368
12.6.4 WorldFIP 370
12.6.5 CAN-Bus 371
12.6.6 ASI - Interface 373
12.7 Zusammenfassung und Ausblick 374
12.8 Literatur 376
13 Prozessleittechnik 377
13.1 Einfhhrung und Ubersicht 377
13.1.1 Ziele und Inhalte der Prozessleittechnik 377
13.1.2 Prozessleittechnik im Ebenenmodell 378
13.1.3 Technische Realisierung und methodische Grundlagen 381
13.2 Technik der Feldebene 382
13.2.1 Sensorsysteme 382
13.2.2 Aktorsysteme 385
13.2.3 Informationsfluss 386
13.3 Kommunikationstechnik 389
13.3.1 Analoge Kommunikation 389
13.3.2 Digitale Kommunikation 390
13.3.3 Hybride Kommunikation 392
13.4 Technik der Prozessleitebene 392
13.4.1 Historie 392
13.4.2 Prozessleitsysteme 393
13.4.3 CAE-Systeme 396
13.4.4 Open Control Systems 398
13.5 ModellierungsansStze und Methoden 400
13.5.1 Prozessmodellierung 400
13.5.2 Modellierung der leittechnischen Systeme 402
13.5.3 Modellierung der Systemzuverlassigkeit 403
13.6 Literatur 405
14 Prozessvisualisierung 407
14.1 Einfbhrung 407
14.2 PC-basierte Automation 408
14.2.1 Prozessvisualisierung - Versuch einer Definition 408
14.2.2 Grundanforderungen an Prozessvisualisierungssysteme 410
14.3 Betriebssystemseitige Betrachtungen 411
14.4. Treiberseitige Betrachtungen 412
14.4.1 OPC - Austauschbar und Wiederverwendbar 413
14.4.2 OPC - Bestandteile und Umfang
14.4.3 Wo steht OPC heute?
14.5 Die Bediensysteme der Zukunft
14.6 (Jbersicht: SCADA-Systeme
14.7 Beispiel: Lookout
14.7.1 Konzeption
14.7.2 Leistungsf higkeit
14.7.3 Offenheit
14.7.4 Konsequente Vernetzung
14.7.5 VisualisierungsmOglichkeiten
14.8 Beispiel: BridgeView
14.8.1 Einfuhrung
14.8.2 Architektur
14.8.3 Erstellung einer BridgeVIEW-Applikation
14.8.4 Zukunftsweisende Technologien
14.8.5 OPC-Server und -Client Fahigkeiten
14.8.6 Toolboxen
14.9 Schlussfolgerungen
14.10 Literatur
15 Sicherheitsgerichtete Automatisierungstechnik
15.1 Einfuhrung
15.2 Gesetze, Verordnungen, Richtlinien
15.3 Grundbegriffe der Sicherheitstechnik
15.3.1 Allgemeines
15.3.2 Schaden
15.3.3 Risiko
15.3.4 Grenzrisiko
15.3.5 Gefahr und Sicherheit
15.3.6 Schutz
15.4 Automatisierungs- und Schutzeinrichtungen
15.5 Ermittlung von Risiko und SchutzmaBnahme
15.5.1 Prinzipielles Vorgehen
15.5.2 Ermittlung der GrdBe des Risikos
15.5.3 Technische Ausfllhrung der SchutzmaBnahme
15.6 Verfligbarkeit einer Schutzeinrichtung
15.6.1 Stationitre Verfligbarkeit
15.6.2 Sicherheits- und betriebsbezogene Verfligbarkeit
15.7 Erhdhung der sicherheitstechnischen Verfligbarkeit
15.7.1 Allgemeine MaBnahmen
15.7.2 Homogene und diversity Redundanz
15.8 Programmierbare Systeme in der Sicherheitstechnik... !
15.9 Literatur
Inhaltsverzeichnis XV
16 Computer Aided Engineering in der Automatisierungstechnik 455
16.1 Einleitung 455
16.1.1 Ziele und Inhalte des Engineerings 455
16.1.2 Computer Aided Engineering (CAE) 457
16.2 CAE-Plattform 458
16.2.1 Hard- und Software-Plattform 458
16.2.2 Software-Architektur 460
16.2.3 Anderungs- und Revisions-Verwaltung 462
16.3 CAE-Datenverarbeitung 462
16.3.1 Engineering-Module 462
16.3.2 Massendatenbearbeitung 464
16.3.3 Bibliotheken 466
16.3.4 Datenschnittstellen 466
16.4 Werkzeuge der Anlagen-CAE 468
16.4.1 Konfiguration nach Prozesstypen 468
16.4.2 Strukturierung 469
16.4.3 Navigation 473
16.4.4 Layout-Planung 474
16.4.5 PLT-Stellenblatt 474
16.4.6 GerSte-Datenblatter 476
16.5 Werkzeuge der elektrischen CAD 476
16.5.1 Funktionen 476
16.5.2 PLT-StellenplSne 477
16.5.3 StromlaufplSne 477
16.5.4 Verbindungsplanung 478
16.5.5 Kabelplanung 479
16.6 Einbindung von Regelung und Steuerung 479
16.6.1 Automatisierungsfunktionen 479
16.6.2 Software-Planung 480
16.6.3 Hardware-Planung 481
16.6.4 MMI-Konfiguration 483
16.7 Ausblick 485
16.8 Literatur 486
Formelzeichen und Abkttrzungen 487
Sachwortverzeichnis 493
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| discipline | Chemie-Ingenieurwesen Mess-/Steuerungs-/Regelungs-/Automatisierungstechnik Wirtschaftswissenschaften Mess-/Steuerungs-/Regelungs-/Automatisierungstechnik / Mechatronik |
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