Automatisierungstechnik: Methoden für die Überwachung und Steuerung kontinuierlicher und ereignisdiskreter Systeme ; mit 74 Anwendungsbeispielen und 84 Übungsaufgaben
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| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
München [u.a.]
Oldenbourg
2003
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| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | XXII, 607 S. graph. Darst. |
| ISBN: | 3486274309 |
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AUTOMATISIERUNGS-
TECHNIK
METHODEN FUER DIE UEBERWACHUNG UND STEUERUNG
KONTINUIERLICHER UND EREIGNISDISKRETER SYSTEME
VON
JAN LUNZE
MIT 401 ABBILDUNGEN, 74 ANWENDUNGSBEISPIELEN
UND 84 UEBUNGSAUFGABEN
OLDENBOURG VERLAG MUENCHEN WIEN
INHALTSVERZEICHNIS
VERZEICHNIS DER ANWENDUNGSBEISPIELE XVII
HINWEISE ZUM GEBRAUCH DES BUCHES XXIII
TEIL 1: EINFUEHRUNG
ZIELE UND AUFGABEN DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK
1.1 ZIELE DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK
1.2 ANWENDUNGSBEISPIELE
1.2.1 PROZESSAUTOMATISIERUNG
.2.2 FERTIGUNGSAUTOMATISIERUNG
.2.3 GEBAEUDEAUTOMATISIERUNG
.2.4 UEBERWACHUNG UND STEUERUNG VON ENERGIESYSTEMEN
.2.5 AUTOMATISIERUNGSTECHNIK IN FAHRZEUGEN
.2.6 UEBERWACHUNG UND STEUERUNG DES FLUGVERKEHRS
.2.7 AUTOMATISIERUNGSAUFGABEN IN DER INFORMATIONS- UND
KOMMUNIKATIONSTECHNIK
1.2.8 ZUSAMMENFASSUNG: NOTWENDIGKEIT DER AUTOMATISIERUNG TECHNISCHER
SYSTEME
1.3 GRUNDSTRUKTUR AUTOMATISIERTER SYSTEME
1.3.1 BEZIEHUNGEN ZWISCHEN DER AUTOMATISIERUNGSEINRICHTUNG UND DEM ZU
AUTOMATISIERENDEN PROZESS
1.3.2 DAS RUECKKOPPLUNGSPRINZIP
1.3.3 DIE ROLLE DES MENSCHEN IN AUTOMATISIERTEN SYSTEMEN
1.3.4 SPEZIELLE KLASSEN AUTOMATISIERTER SYSTEME
1.4 AUTOMATISIERUNGSAUFGABEN
1.4.1 MODELLBILDUNG DYNAMISCHER SYSTEME
1.4.2 VORHERSAGE DES SYSTEMVERHALTENS
1
1
3
3
7
8
9
10
12
13
14
15
15
17
19
20
21
22
24
X
INHALTSVERZEICHNIS
1.5
1.4.3 PLANUNG VON STEUEREINGRIFFEN 25
1.4.4 ZUSTANDSBEOBACHTUNG 27
.4.5 PROZESSDIAGNOSE 28
.4.6 REGELUNG UND STEUERUNG 28
.4.7 KOMBINATION VON AUTOMATISIERUNGSFUNKTIONEN 30
.4.8 AUTOMATISIERUNGSHIERARCHIE 31
MITTEL DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK 34
.5.1 METHODEN UND GERAETE 34
.5.2 LOESUNGSWEG FUER AUTOMATISIERUNGSAUFGABEN 35
.5.3 BEZIEHUNGEN DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK ZU ANDEREN FACHDISZIPLINEN
36
LITERATURHINWEISE 37
2 GRUNDLEGENDE EIGENSCHAFTEN DYNAMISCHER SYSTEME
39
2.1 GRUNDBEGRIFFE DER SYSTEMTHEORIE 39
2.1.1 SIGNAL, PROZESS, SYSTEM 39
2.1.2 KONTINUIERLICHE UND DISKRETE SIGNALE UND SYSTEME 41
2.1.3 STATISCHE UND DYNAMISCHE SYSTEME 43
2.1.4 AUTONOME UND GESTEUERTE SYSTEME 45
2.1.5 GEMEINSAMKEITEN UND UNTERSCHIEDE KONTINUIERLICHER UND DISKRETER
SYSTEME 45
2.2 BLOCKSCHALTBILD UND SIGNALFLUSSGRAF 47
2.2.1 STRUKTUR DYNAMISCHER SYSTEME 47
2.2.2 BLOCKSCHALTBILD 48
2.2.3 SIGNALFLUSSGRAF 55
2.3 DEKOMPOSITION UND AGGREGATION VON SYSTEMEN 56
2.4 KOPPLUNGSANALYSE 57
2.5 STEUERUNG IN DER OFFENEN WIRKUNGSKETTE UND IM GESCHLOSSENEN KREIS 63
LITERATURHINWEISE 71
TEIL 2: AUTOMATISIERUNG KONTINUIERLICHER SYSTEME
BESCHREIBUNG KONTINUIERLICHER SYSTEME 72
3.1 MODELLBILDUNGSAUFGABE 72
3.2 SYSTEMBESCHREIBUNG DURCH LINEARE DIFFERENZIALGLEICHUNGEN 73
3.3 LINEARES ZUSTANDSRAUMMODELL 78
3.3.1 ZUSTANDSGIEICHUNG UND AUSGABEGLEICHUNG 78
3.3.2 ZUSTANDSBEGRIFF 81
3.3.3 NORMIERUNG DER SIGNALE UND PARAMETER 83
3.3.4 BLOCKSCHALTBILD UND SIGNALFLUSSGRAF DES ZUSTANDSRAUMMODELLS 85
3.3.5 ZUSTANDSRAUMDARSTELLUNG VON MEHRGROESSENSYSTEMEN 87
3.3.6 GLEICHGEWICHTSZUSTAND LINEARER SYSTEME 87
3.4 NICHTLINEARES ZUSTANDSRAUMMODELL 90
INHALTSVERZEICHNIS XI
3.5 LINEARISIERUNG 98
3.6 KOMPOSITIONALE MODELLBILDUNG KONTINUIERLICHER SYSTEME 102
LITERATURHINWEISE 108
4 VERHALTEN KONTINUIERLICHER SYSTEME 109
4.1 VORHERSAGE DES SYSTEMVERHALTENS 109
4.2 VERHALTEN LINEARER SYSTEME 110
4.2.1 LOESUNG DER ZUSTANDSGIEICHUNG 110
4.2.2 BERECHNUNG DER AUSGANGSGROESSE 112
4.2.3 ANMERKUNGEN ZUM ZUSTANDSBEGRIFF 118
4.2.4 BEWEGUNGSGLEICHUNG IN KANONISCHER FORM 121
4.2.5 UEBERGANGSFUNKTION 126
4.2.6 BERECHNUNG DER MATRIXEXPONENTIALFUNKTION 128
4.3 VERHALTEN NICHTLINEARER SYSTEME 129
4.3.1 LOESUNG DER NICHTLINEAREN MODELLGLEICHUNGEN 129
4.3.2 RECHNERGESTUETZTE ANALYSE DES SYSTEMVERHALTENS 131
4.4 KENNWERTERMITTLUNG 134
LITERATURHINWEISE 137
5 STEUERBARKEIT UND BEOBACHTBARKEIT 138
5.1 DEFINITION DER STEUERBARKEIT UND DER BEOBACHTBARKEIT 138
5.2 STEUERBARKEIT LINEARER SYSTEME 140
5.2.1 STEUERBARKEITSKRITERIUM 140
5.2.2 EIGENSCHAFTEN VOLLSTAENDIG STEUERBARER SYSTEME 141
5.3 BEOBACHTBARKEIT LINEARER SYSTEME 146
5.3.1 BEOBACHTBARKEITSKRITERIUM 146
5.3.2 BERECHNUNG DES ANFANGSZUSTANDES AUS N MESSWERTEN 147
5.3.3 BESTIMMUNG DES ANFANGSZUSTANDES AUS DER GRAMSCHEN
BEOBACHTBARKEITSMATRIX 149
5.4 STRUKTURELLE STEUERBARKEIT UND STRUKTURELLE BEOBACHTBARKEIT 151
5.4.1 STRUKTURGRAF 151
5.4.2 DEFINITION UND KRITERIEN FUER DIE STRUKTURELLE STEUERBARKEIT UND
STRUKTURELLE BEOBACHTBARKEIT 152
5.4.3 STRUKTURELLE ANALYSE NICHTLINEARER SYSTEME 156
5.5 SYSTEMZERLEGUNG ENTSPRECHEND DEN STEUERBARKEITS- UND
BEOBACHTBARKEITSEIGENSCHAFTEN 157
LITERATURHINWEISE 160
6 STABILITAET 161
6.1 STABILITAETSDEFINITION 161
6.2 STABILITAETSANALYSE LINEARER SYSTEME 164
6.2.1 STABILITAETSANALYSE ANHAND DER EIGENWERTE DER SYSTEMMATRIX 164
6.2.2 HURWITZKRITERIUM 166
6.3 STABILITAETSANALYSE NICHTLINEARER SYSTEME 170
6.3.1 LOESUNGSWEGE 170
XN
INHALTSVERZEICHNIS
6.3.2 STABILITAETSPRUEFUNG MIT DEM LINEARISIERTEN MODELL 171
6.3.3 DIREKTE METHODE VON LJAPUNOW 174
6.3.4 ANWENDUNG DER DIREKTEN METHODE AUF LINEARE SYSTEME 179
6.4 STABILITAET VON REGELKREISEN 182
6.4.1 STABILITAET DER REGELSTRECKE UND DES REGELKREISES 182
6.4.2 ROBUSTE STABILITAET 185
6.5 AUSBLICK: WEITERE VERFAHREN FUER DIE STABILITAETSPRUEFUNG 186
LITERATURHINWEISE 187
EINSCHLEIFIGE REGELKREISE 188
7.1 REGELUNGSAUFGABE 188
7.2 MODELL DES STANDARDREGELKREISES 191
7.2.1 LINEARER REGELKREIS 191
7.2.2 NICHTLINEARER REGELKREIS 194
7.3 WICHTIGE EIGENSCHAFTEN VON REGELKREISEN 195
7.3.1 STOERKOMPENSATION UND SOLLWERTFOLGE 195
7.3.2 ERREICHBARE REGELGUETE 203
7.3.3 ROBUSTHEIT 205
7.4 REGLERTYPEN 209
7.4.1 PID-REGLER 209
7.4.2 WEITERE REGLERKOMPONENTEN 211
LITERATURHINWEISE 214
ENTWURFSVERFAHREN FUER PID-REGLER 215
8.1 ENTWURFSSCHRITTE 215
8.2 EINSTELLREGELN FUER PID-REGLER 216
8.3 ROBUSTE PI-REGELUNG 223
8.3.1 GEGENKOPPLUNGSBEDINGUNG FUER I-REGLER 223
8.3.2 REGLEREINSTELLUNG 226
8.3.3 ERWEITERUNG AUF PI-REGLER 228
8.4 AUSBLICK: VERFAHREN FUER DEN REGLERENTWURF 232
LITERATURHINWEISE 233
ZUSTANDSBEOBACHTUNG KONTINUIERLICHER SYSTEME 234
9.1 BEOBACHTUNGSAUFGABE 234
9.2 LUENBERGER-BEOBACHTER 236
9.2.1 GRUNDIDEE 236
9.2.2 BEOBACHTERSTRUKTUR 238
9.2.3 WAHL DER BEOBACHTERRUECKFUEHRUNG 239
9.2.4 VERHALTEN DES BEOBACHTERS BEI STOERUNGEN UND UND BEI MODELL-
UNSICHERHEITEN 245
9.3 BEOBACHTER FUER NICHTLINEARE SYSTEME 251
9.4 ANWENDUNGEN DER ZUSTANDSBEOBACHTUNG 253
9.4.1 BEOBACHTUNG EINES TEILSYSTEMS 253
9.4.2 ONLINE-VORHERSAGE DES SYSTEMVERHALTENS 254
INHALTSVERZEICHNIS XIII
9.4.3 REGELUNG UNTER VERWENDUNG EINER BEOBACHTETEN REGELGROESSE 256
LITERATURHINWEISE 257
10 DIAGNOSE KONTINUIERLICHER SYSTEME 258
10.1 AUFGABE UND PRINZIP DER MODELLBASIERTEN DIAGNOSE 258
10.1.1 DIAGNOSEAUFGABE 258
10.1.2 DIAGNOSESCHRITTE 260
10.1.3 SIGNALBASIERTE UND MODELLBASIERTE DIAGNOSE 261
10.1.4 PRINZIP DER KONSISTENZBASIERTEN DIAGNOSE 264
10.2 FEHLERERKENNUNG MIT EINEM ZUSTANDSBEOBACHTER 266
10.2.1 DIAGNOSEAUFGABE 266
10.2.2 MODELLIERUNG FEHLERBEHAFTETER SYSTEME 267
10.2.3 DIAGNOSEALGORITHMUS 268
10.3 SENSORUEBERWACHUNG 273
10.3.1 AUFGABE DER SENSORUEBERWACHUNG 273
10.3.2 FEHLERLOKALISIERUNG MIT DEDIZIERTEN BEOBACHTERN 274
10.3.3 ERWEITERUNG 282
10.4 FEHLERIDENTIFIKATION 283
10.4.1 FEHLERIDENTIFIKATION MIT EINER BEOBACHTERBANK 283
10.4.2 FEHLERIDENTIFIKATION MIT EINEM FEHLERMODELL 285
10.4.3 ENTWURF BEOBACHTERGESTUETZTER DIAGNOSESYSTEME 287
10.5 AUSBLICK: DIAGNOSE UND FEHLERTOLERANTE STEUERUNG 296
LITERATURHINWEISE 297
TEIL 3: AUTOMATISIERUNG EREIGNISDISKRETER SYSTEME
11 BESCHREIBUNG DISKRETER SYSTEME 298
11.1 MODELLBILDUNGSAUFGABE 298
11.1.1 DISKRETE SIGNALE UND EREIGNISSE 298
11.1.2 MODELLBILDUNGSZIEL UND MODELLBILDUNGSSCHRITTE 305
11.2 DETERMINISTISCHE AUTOMATEN 308
11.2.1 AUTONOME DETERMINISTISCHE AUTOMATEN 308
11.2.2 DETERMINISTISCHE AUTOMATEN MIT EINGANG UND AUSGANG 314
11.3 NICHTDETERMINISTISCHE AUTOMATEN 318
11.3.1 DETERMINISTISCHE UND NICHTDETERMINISTISCHE SYSTEME 318
11.3.2 AUTONOME NICHTDETERMINISTISCHE AUTOMATEN 320
11.3.3 NICHTDETERMINISTISCHE AUTOMATEN MIT EINGANG UND AUSGANG 328
11.4 STOCHASTISCHE AUTOMATEN 333
11.4.1 STOCHASTISCHE PROZESSE 333
11.4.2 AUTONOME STOCHASTISCHE AUTOMATEN 336
11.4.3 STOCHASTISCHE AUTOMATEN MIT EINGANG UND AUSGANG 342
11.4.4 MARKOV-EIGENSCHAFT DYNAMISCHER SYSTEME 345
XIV
INHALTSVERZEICHNIS
11.5 PETRINETZE 348
11.5.1 AUTONOME PETRINETZE 348
11.5.2 PETRINETZE MIT EINGANG UND AUSGANG 359
11.5.3 BEZIEHUNGEN ZWISCHEN PETRINETZEN UND AUTOMATEN 362
11.6 KOMPOSITIONALE MODELLBILDUNG DISKRETER SYSTEME 364
11.6.1 MODELLBILDUNGSAUFGABE 364
11.6.2 SYNCHRONISATION ZWEIER AUTOMATEN 365
11.6.3 REIHENSCHALTUNG ZWEIER AUTOMATEN 370
11.6.4 RUECKFUEHRAUTOMAT 372
LITERATURHINWEISE 379
12 VERHALTEN DISKRETER SYSTEME 381
12.1 VORHERSAGE DES SYSTEMVERHALTENS 381
12.2 VERHALTEN DETERMINISTISCHER AUTOMATEN 382
12.2.1 BERECHNUNG DER ZUSTANDS- UND AUSGABEFOLGE 382
12.2.2 ERREICHBARKEITSANALYSE DES AUTOMATENGRAFEN 383
12.2.3 STRUKTURELLE ANALYSE DETERMINISTISCHER AUTOMATEN 385
12.2.4 STEUERBARKEIT DETERMINISTISCHER AUTOMATEN 387
12.3 VERHALTEN NICHTDETERMINISTISCHER AUTOMATEN 388
12.3.1 BERECHNUNG DER ZUSTANDS- UND AUSGABEFOLGEN 388
12.3.2 STRUKTURELLE ANALYSE NICHTDETERMINISTISCHER AUTOMATEN 390
12.3.3 STEUERBARKEIT NICHTDETERMINISTISCHER AUTOMATEN 392
12.4 VERHALTEN STOCHASTISCHER AUTOMATEN 395
12.4.1 BERECHNUNG DER ZUSTANDSFOLGEN AUTONOMER STOCHASTISCHER AUTOMATEN
. 395
12.4.2 STRUKTURELLE ANALYSE STOCHASTISCHER AUTOMATEN 397
12.4.3 ERWEITERUNG AUF AUTOMATEN MIT EINGANG UND AUSGANG 397
12.5 VERHALTEN VON PETRINETZEN 399
12.5.1 BERECHNUNG DER MARKIERUNGSFOLGEN 399
12.5.2 STRUKTURELLE ANALYSE VON PETRINETZEN 399
12.5.3 INVARIANTEN 401
LITERATURHINWEISE 408
13 STEUERUNG DISKRETER SYSTEME 409
13.1 STEUERUNGSAUFGABE 409
13.2 DISKRETE STEUERUNGEN 412
13.2.1 VERKNUEPFUNGSSTEUERUNGEN 412
13.2.2 ABLAUFSTEUERUNGEN 413
13.3 SPEICHERPROGRAMMIERBARE STEUERUNGEN 422
LITERATURHINWEISE 423
14 ENTWURF DISKRETER STEUERUNGEN 424
14.1 ENTWURFSSCHRITTE 424
14.1.1 SYSTEMATISCHER STEUERUNGSENTWURF 424
14.1.2 HEURISTISCHE FESTLEGUNG DES STEUERGESETZES 426
14.2 STEUERUNGSENTWURF FUER AUTOMATEN 428
INHALTSVERZEICHNIS XV
14.2.1 ENTWURFSPROBLEM 428
14.2.2 ENTWURFSALGORITHMUS 428
14.2.3 STEUERUNGSENTWURF FUER DETERMINISTISCHE AUTOMATEN 429
14.2.4 ERWEITERUNGEN 430
14.2.5 ERWEITERUNG FUER NICHTDETERMINISTISCHE AUTOMATEN 436
14.3 STEUERUNGSENTWURF FUER PETRINETZE 436
14.3.1 STEUERUNGSENTWURF MIT HILFE DES ERREICHBARKEITSGRAFEN 436
14.3.2 ENTWURF UNTER NUTZUNG VON S-INVARIANTEN 438
14.4 ANALYSE DES STEUERKREISES 443
14.5 AUSBLICK: ENTWURF UND VERIFIKATION DISKRETER STEUERUNGEN 446
LITERATURHINWEISE 447
15 ZUSTANDSBEOBACHTUNG DISKRETER SYSTEME 448
15.1 BEOBACHTUNGSAUFGABE 448
15.2 BEOBACHTUNG DETERMINISTISCHER UND NICHTDETERMINISTISCHER AUTOMATEN
449
15.2.1 BEOBACHTUNGSALGORITHMUS FUER NICHTDETERMINISTISCHE AUTOMATEN 449
15.2.2 DARSTELLUNG DES BEOBACHTUNGSALGORITHMUS ALS AUTOMAT 455
15.2.3 ANWENDUNG DES BEOBACHTUNGSALGORITHMUS AUF DETERMINISTISCHE
AUTOMATEN 457
15.2.4 KONSISTENZ VON E/A-PAAREN MIT NICHTDETERMINISTISCHEN
AUTOMATEN. 459
15.3 BEOBACHTUNG STOCHASTISCHER AUTOMATEN 461
LITERATURHINWEISE 469
16 DIAGNOSE DISKRETER SYSTEME 471
16.1 DIAGNOSEAUFGABE 471
16.2 DIAGNOSE NICHTDETERMINISTISCHER AUTOMATEN 472
16.2.1 MODELLIERUNG FEHLERBEHAFTETER SYSTEME 472
16.2.2 DETEKTION KONSTANTER FEHLER 474
16.2.3 IDENTIFIKATION KONSTANTER FEHLER 475
16.2.4 LOESUNG DER DIAGNOSEAUFGABE FUER ZEITABHAENGIGE FEHLER 481
16.3 DIAGNOSE STOCHASTISCHER AUTOMATEN 484
16.3.1 BESCHREIBUNG FEHLERBEHAFTETER SYSTEME DURCH STOCHASTISCHE
AUTOMATEN 484
16.3.2 GRUNDIDEE DER DIAGNOSE STOCHASTISCHER SYSTEME 485
16.3.3 DIAGNOSEALGORITHMUS 491
LITERATURHINWEISE 498
17 AUSBLICK: UEBERWACHUNG UND STEUERUNG HYBRIDER DYNAMISCHER SYSTEME 499
17.1 AUTOMATISIERUNG KONTINUIERLICHER UND EREIGNISDISKRETER SYSTEME 499
17.2 HYBRIDE DYNAMISCHE SYSTEME 500
LITERATURHINWEISE 505
LITERATURVERZEICHNIS 506 |
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