Automatisierungstechnik: Methoden für die Überwachung und Steuerung kontinuierlicher und ereignisdiskreter Systeme
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| Main Author: | |
|---|---|
| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
München [u.a.]
Oldenbourg
2008
|
| Edition: | 2., überarb. Aufl. |
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | XXII, 643 S. graph. Darst. 25 cm |
| ISBN: | 9783486580617 |
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Inhaltsverzeichnis
Verzeichnis der Anwendungsbeispiele XVII
Hinweise zum Gebrauch des Buches XXIII
Teil 1: Einführung
1 Ziele und Aufgaben der Automatisierungstechnik 1
1.1 Ziele der Automatisierungstechnik 1
1.2 Anwendungsbeispiele 4
1.2.1 Prozessautomatisierung 4
1.2.2 Fertigungsautomatisierung 8
1.2.3 Gebäudeautomatisierung 9
1.2.4 Überwachung und Steuerung von Energiesystemen 10
1.2.5 Automatisierungstechnik in Fahrzeugen 11
1.2.6 Überwachung und Steuerung des Flugverkehrs 13
1.2.7 Automatisierungsaufgaben in der Informations und
Kommunikationstechnik 14
1.2.8 Zusammenfassung: Notwendigkeit der Automatisierung technischer
Systeme 15
1.3 Grundstruktur automatisierter Systeme 17
1.3.1 Beziehungen zwischen der Automatisierungseinrichtung und dem zu
automatisierenden Prozess 17
1.3.2 Das Rückkopplungsprinzip 18
1.3.3 Die Rolle des Menschen in automatisierten Systemen 20
1.3.4 Spezielle Klassen automatisierter Systeme 20
1.4 Automatisierungsaufgaben 22
1.4.1 Modellbildung dynamischer Systeme 23
1.4.2 Vorhersage des Systemverhaltens 25
1.4.3 Planung von Steuereingriffen 26
1.4.4 Zustandsbeobachtung 27
1.4.5 Prozessdiagnose 28
1.4.6 Regelung und Steuerung 29
1.4.7 Kombination von Automatisierungsfunktionen 32
X Inhaltsverzeichnis
1.4.8 Automatisierungshierarchie 32
1.5 Realisierung von Automatisierungseinrichtungen 37
1.5.1 Methoden und Geräte 37
1.5.2 Lösungsweg für Automatisierungsaufgaben 38
1.5.3 Beziehungen der Automatisierungstechnik zu anderen Fachdisziplinen 39
Literaturhinweise 40
2 Grundlegende Eigenschaften dynamischer Systeme 43
2.1 Grundbegriffe der Systemtheorie 43
2.1.1 Signal, Prozess, System 43
2.1.2 Kontinuierliche und diskrete Signale und Systeme 45
2.1.3 Statische und dynamische Systeme 48
2.1.4 Autonome und gesteuerte Systeme 50
2.1.5 Gemeinsamkeiten und Unterschiede kontinuierlicher und diskreter
Systeme 51
2.2 Blockschaltbild und Signalflussgraf 52
2.2.1 Struktur dynamischer Systeme 52
2.2.2 Blockschaltbild 53
2.2.3 Signalflussgraf 60
2.3 Dekomposition und Aggregation von Systemen 62
2.4 Kopplungsanalyse 64
2.5 Steuerungen in der offenen Wirkungskette und im geschlossenen Kreis 68
Literaturhinweise 77
Teil 2: Automatisierung kontinuierlicher Systeme
3 Beschreibung kontinuierlicher Systeme 79
3.1 Modellbildungsaufgabe 79
3.2 Systembeschreibung durch lineare Differenzialgleichungen 80
3.3 Zustandsraummodell linearer Systeme 85
3.3.1 Zustandsgieichung und Ausgabegleichung 85
3.3.2 Zustandsbegriff 88
3.3.3 Normierung der Signale und Parameter 91
3.3.4 Blockschaltbild und Signalflussgraf des Zustandsraummodells 93
3.3.5 Zustandsraumdarstellung von Mehrgrößensystemen 94
3.3.6 Gleichgewichtszustand linearer Systeme 95
3.4 Zustandsraummodell nichtlinearer Systeme 97
3.5 Linearisierung 108
3.6 Kompositionale Modellbildung kontinuierlicher Systeme 112
Literaturhinweise 117
Inhaltsverzeichnis XI
4 Verhalten kontinuierlicher Systeme 119
4.1 Vorhersage des Systemverhaltens 119
4.2 Verhalten linearer Systeme 120
4.2.1 Lösung der Zustandsgieichung 120
4.2.2 Berechnung der Ausgangsgröße 123
4.2.3 Anmerkungen zum Zustandsbegriff 128
4.2.4 Bewegungsgleichung in kanonischer Form 132
4.2.5 Übergangsfunktion 137
4.2.6 Berechnung der Matrixexponentialfunktion 139
4.3 Verhalten nichtlinearer Systeme 140
4.3.1 Lösung der nichtlinearen Modellgleichungen 140
4.3.2 Rechnergestützte Analyse nichtlinearer Systeme 142
4.4 Kennwertermittlung 146
Literaturhinweise 148
5 Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit 149
5.1 Definition der Steuerbarkeit und der Beobachtbarkeit 149
5.2 Steuerbarkeit linearer Systeme 151
5.2.1 Steuerbarkeitskriterium 151
5.2.2 Eigenschaften vollständig steuerbarer Systeme 152
5.3 Beobachtbarkeit linearer Systeme 157
5.3.1 Beobachtbarkeitskriterium 157
5.3.2 Berechnung des Anfangszustandes aus n Messwerten 158
5.3.3 Bestimmung des Anfangszustandes mit Hilfe der gramschen
Beobachtbarkeitsmatrix 160
5.4 Strukturelle Steuerbarkeit und strukturelle Beobachtbarkeit 162
5.4.1 Strukturgraf 162
5.4.2 Definition und Kriterien für die strukturelle Steuerbarkeit und
strukturelle Beobachtbarkeit 163
5.4.3 Strukturelle Analyse nichtlinearer Systeme 167
5.5 Systemzerlegung entsprechend den Steuerbarkeits und
Beobachtbarkeitseigenschaften 168
Literaturhinweise 172
6 Stabilität 173
6.1 Stabilitätsdefinition 173
6.2 Stabilitätsanalyse linearer Systeme 176
6.2.1 Stabilitätsanalyse anhand der Eigenwerte der Systemmatrix 176
6.2.2 Hurwitzkriterium 179
6.3 Stabilitätsanalyse nichtlinearer Systeme 182
6.3.1 Lösungswege 182
6.3.2 Stabilitätsprüfung mit dem linearisierten Modell 184
6.3.3 Direkte Methode von Ljapunow 187
6.3.4 Anwendung der Direkten Methode auf lineare Systeme 192
6.4 Stabilität von Regelkreisen 195
XII Inhaltsverzeichnis
6.4.1 Stabilität der Regelstrecke und des Regelkreises 195
6.4.2 Robuste Stabilität 198
6.5 Ausblick: Weitere Verfahren für die Stabilitätsprüfung 199
Literaturhinweise 200
7 Einschleifige Regelkreise 201
7.1 Regelungsaufgabe 201
7.2 Modell des Standardregelkreises 204
7.2.1 Linearer Regelkreis 204
7.2.2 Nichtlinearer Regelkreis 207
7.3 Wichtige Eigenschaften von Regelkreisen 208
7.3.1 Störkompensation und Sollwertfolge 209
7.3.2 Erreichbare Regelgüte 217
7.3.3 Robustheit 218
7.4 Reglertypen 222
7.4.1 PID Regler 222
7.4.2 Weitere Reglerkomponenten 225
Literaturhinweise 227
8 Entwurfsverfahren für PID Regler 229
8.1 Entwurfsschritte 229
8.2 Einstellregeln für PID Regler 231
8.3 Robuste PI Regelung 238
8.3.1 Gegenkopplungsbedingung für I Regler 238
8.3.2 Reglereinstellung 240
8.3.3 Erweiterung auf PI Regler 242
8.4 Ausblick: Verfahren für den Reglerentwurf 246
Literaturhinweise 247
9 Zustandsbeobachtung kontinuierlicher Systeme 249
9.1 Beobachtungsaufgabe 249
9.2 Luenbergerbeobachter 251
9.2.1 Grundidee 251
9.2.2 Beobachterstruktur 253
9.2.3 Wahl der Beobachterrückführung 254
9.2.4 Verhalten des Beobachters bei Störungen und Modellunsicherheiten. 260
9.3 Beobachter für nichtlineare Systeme 267
9.4 Anwendungen der Zustandsbeobachtung 269
9.4.1 Beobachtung eines Teilsystems 269
9.4.2 Online Vorhersage des Systemverhaltens 270
9.4.3 Regelung unter Verwendung einer beobachteten Regelgröße 271
Literaturhinweise 273
Inhaltsverzeichnis XIII
10 Diagnose kontinuierlicher Systeme 275
10.1 Diagnoseaufgabe und Lösungswege 275
10.1.1 Diagnoseaufgabe 275
10.1.2 Diagnoseschritte 278
10.1.3 Signalbasierte und modellbasierte Diagnose 278
10.1.4 Modelle des fehlerfreien und des fehlerhaften Systems 280
10.1.5 Diagnose mit statischen und dynamischen Modellen 282
10.1.6 Prinzip der konsistenzbasierten Diagnose 283
10.2 Fehlererkennung mit einem Zustandsbeobachter 285
10.3 Sensorüberwachung 290
10.3.1 Aufgabe der Sensorüberwachung 290
10.3.2 Fehlerlokalisierung mit dedizierten Beobachtern 291
10.3.3 Erweiterung 300
10.4 Fehleridentifikation 301
10.4.1 Fehleridentifikation mit einer Beobachterbank 301
10.4.2 Fehleridentifikation unter Verwendung von Fehlermodellen 303
10.4.3 Entwurf beobachtergestützter Diagnosesysteme 305
10.5 Ausblick: Diagnose und fehlertolerante Steuerung 314
Literaturhinweise 315
Teil 3: Automatisierung ereignisdiskreter Systeme
11 Beschreibung diskreter Systeme 317
11.1 Modellbildungsaufgabe 317
11.1.1 Diskrete Signale und Ereignisse 317
11.1.2 Modellbildungsziel und Modellbildungsschritte 324
11.2 Deterministische Automaten 327
11.2.1 Autonome deterministische Automaten 327
11.2.2 Deterministische Automaten mit Eingang und Ausgang 333
11.3 Nichtdeterministische Automaten 339
11.3.1 Deterministische und nichtdeterministische Systeme 339
11.3.2 Autonome nichtdeterministische Automaten 340
11.3.3 Nichtdeterministische Automaten mit Eingang und Ausgang 350
11.4 Stochastische Automaten 356
11.4.1 Beschreibung stochastischer Prozesse 356
11.4.2 Autonome stochastische Automaten 360
11.4.3 Stochastische Automaten mit Eingang und Ausgang 366
11.4.4 Markoveigenschaft dynamischer Systeme 369
11.5 Petrinetze 372
11.5.1 Autonome Petrinetze 372
11.5.2 Petrinetze mit Eingang und Ausgang 385
11.5.3 Beziehungen zwischen Petrinetzen und Automaten 388
XIV Inhaltsverzeichnis
11.6 Kompositionale Modellbildung diskreter Systeme 391
11.6.1 Modellbildungsaufgabe 391
11.6.2 Synchronisation von Automaten 392
11.6.3 Reihenschaltung 396
11.6.4 Rückführautomat 399
Literaturhinweise 408
12 Verhalten diskreter Systeme 409
12.1 Vorhersage des System Verhaltens 409
12.2 Verhalten deterministischer Automaten 410
12.2.1 Berechnung der Zustands und Ausgabefolge 410
12.2.2 Erreichbarkeitsanalyse des Automatengrafen 411
12.2.3 Strukturelle Analyse deterministischer Automaten 413
12.2.4 Steuerbarkeit deterministischer Automaten 415
12.3 Verhalten nichtdeterministischer Automaten 416
12.3.1 Berechnung der Zustands und Ausgabefolgen 416
12.3.2 Strukturelle Analyse nichtdeterministischer Automaten 419
12.3.3 Steuerbarkeit nichtdeterministischer Automaten 420
12.4 Verhalten stochastischer Automaten 423
12.4.1 Berechnung der Zustandsfolgen autonomer stochastischer Automaten . 423
12.4.2 Strukturelle Analyse stochastischer Automaten 425
12.4.3 Erweiterung auf Automaten mit Eingang und Ausgang 426
12.5 Verhalten von Petrinetzen 428
12.5.1 Berechnung der Markierungsfolgen 428
12.5.2 Strukturelle Analyse von Petrinetzen 428
12.5.3 Invarianten 430
Literaturhinweise 437
13 Steuerung diskreter Systeme 439
13.1 Steuerungsaufgabe 439
13.2 Verknüpfungssteuerungen 442
13.3 Ablaufsteuerungen 443
13.3.1 Steuerungsgesetz 443
13.3.2 Zeitplansteuerungen 447
13.4 Speicherprogrammierbare Steuerungen 452
Literaturhinweise 453
14 Entwurf diskreter Steuerungen 455
14.1 Entwurfsschritte 455
14.1.1 Systematischer Steuerungsentwurf 455
14.1.2 Heuristische Festlegung des Steuerungsgesetzes 457
14.2 Steuerungsentwurf für Automaten 459
14.2.1 Entwurfsproblem 459
14.2.2 Steuerungsentwurf für deterministische Automaten 460
14.2.3 Erweiterungen 462
Inhaltsverzeichnis XV
14.2.4 Steuerungsentwurf für nichtdeterministische Automaten 466
14.3 Steuerungsentwurf für Petrinetze 467
14.3.1 Entwurf mit Hilfe des Erreichbarkeitsgrafen 467
14.3.2 Entwurf unter Nutzung von S Invarianten 469
14.4 Verifikation diskreter Steuerungen 473
Literaturhinweise 477
15 Zustandsbeobachtung diskreter Systeme 479
15.1 Beobachtungsaufgabe 479
15.2 Beobachtung deterministischer und nichtdeterministischer Automaten 480
15.2.1 Beobachtungsalgorithmus für nichtdeterministische Automaten 480
15.2.2 Darstellung des Beobachtungsalgorithmus als Automat 487
15.2.3 Anwendung des Beobachtungsalgorithmus auf deterministische
Automaten 489
15.2.4 Konsistenz von E/A Paaren mit nichtdeterministischen Automaten. 491
15.3 Beobachtung stochastischer Automaten 493
Literaturhinweise 501
16 Diagnose diskreter Systeme 503
16.1 Diagnoseaufgabe 503
16.2 Diagnose nichtdeterministischer Automaten 504
16.2.1 Modellierung fehlerbehafteter Systeme 504
16.2.2 Detektion konstanter Fehler 506
16.2.3 Identifikation konstanter Fehler 507
16.2.4 Lösung der Diagnoseaufgabe für zeitabhängige Fehler 513
16.3 Diagnose stochastischer Automaten 515
16.3.1 Beschreibung fehlerbehafteter Systeme durch stochastische Automaten 515
16.3.2 Grundidee der Diagnose stochastischer Systeme 516
16.3.3 Diagnosealgorithmus 522
Literaturhinweise 531
17 Ausblick: Überwachung und Steuerung hybrider dynamischer Systeme 533
17.1 Automatisierung kontinuierlicher und ereignisdiskreter Systeme 533
17.2 Hybride dynamische Systeme 535
Literaturhinweise 540
Literaturverzeichnis 541
Anhänge
Anhang 1: Lösung der Übungsaufgaben 545
Anhang 2: Fachwörter deutsch englisch 633
Sachwortverzeichnis 637 |
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
Verzeichnis der Anwendungsbeispiele XVII
Hinweise zum Gebrauch des Buches XXIII
Teil 1: Einführung
1 Ziele und Aufgaben der Automatisierungstechnik 1
1.1 Ziele der Automatisierungstechnik 1
1.2 Anwendungsbeispiele 4
1.2.1 Prozessautomatisierung 4
1.2.2 Fertigungsautomatisierung 8
1.2.3 Gebäudeautomatisierung 9
1.2.4 Überwachung und Steuerung von Energiesystemen 10
1.2.5 Automatisierungstechnik in Fahrzeugen 11
1.2.6 Überwachung und Steuerung des Flugverkehrs 13
1.2.7 Automatisierungsaufgaben in der Informations und
Kommunikationstechnik 14
1.2.8 Zusammenfassung: Notwendigkeit der Automatisierung technischer
Systeme 15
1.3 Grundstruktur automatisierter Systeme 17
1.3.1 Beziehungen zwischen der Automatisierungseinrichtung und dem zu
automatisierenden Prozess 17
1.3.2 Das Rückkopplungsprinzip 18
1.3.3 Die Rolle des Menschen in automatisierten Systemen 20
1.3.4 Spezielle Klassen automatisierter Systeme 20
1.4 Automatisierungsaufgaben 22
1.4.1 Modellbildung dynamischer Systeme 23
1.4.2 Vorhersage des Systemverhaltens 25
1.4.3 Planung von Steuereingriffen 26
1.4.4 Zustandsbeobachtung 27
1.4.5 Prozessdiagnose 28
1.4.6 Regelung und Steuerung 29
1.4.7 Kombination von Automatisierungsfunktionen 32
X Inhaltsverzeichnis
1.4.8 Automatisierungshierarchie 32
1.5 Realisierung von Automatisierungseinrichtungen 37
1.5.1 Methoden und Geräte 37
1.5.2 Lösungsweg für Automatisierungsaufgaben 38
1.5.3 Beziehungen der Automatisierungstechnik zu anderen Fachdisziplinen 39
Literaturhinweise 40
2 Grundlegende Eigenschaften dynamischer Systeme 43
2.1 Grundbegriffe der Systemtheorie 43
2.1.1 Signal, Prozess, System 43
2.1.2 Kontinuierliche und diskrete Signale und Systeme 45
2.1.3 Statische und dynamische Systeme 48
2.1.4 Autonome und gesteuerte Systeme 50
2.1.5 Gemeinsamkeiten und Unterschiede kontinuierlicher und diskreter
Systeme 51
2.2 Blockschaltbild und Signalflussgraf 52
2.2.1 Struktur dynamischer Systeme 52
2.2.2 Blockschaltbild 53
2.2.3 Signalflussgraf 60
2.3 Dekomposition und Aggregation von Systemen 62
2.4 Kopplungsanalyse 64
2.5 Steuerungen in der offenen Wirkungskette und im geschlossenen Kreis 68
Literaturhinweise 77
Teil 2: Automatisierung kontinuierlicher Systeme
3 Beschreibung kontinuierlicher Systeme 79
3.1 Modellbildungsaufgabe 79
3.2 Systembeschreibung durch lineare Differenzialgleichungen 80
3.3 Zustandsraummodell linearer Systeme 85
3.3.1 Zustandsgieichung und Ausgabegleichung 85
3.3.2 Zustandsbegriff 88
3.3.3 Normierung der Signale und Parameter 91
3.3.4 Blockschaltbild und Signalflussgraf des Zustandsraummodells 93
3.3.5 Zustandsraumdarstellung von Mehrgrößensystemen 94
3.3.6 Gleichgewichtszustand linearer Systeme 95
3.4 Zustandsraummodell nichtlinearer Systeme 97
3.5 Linearisierung 108
3.6 Kompositionale Modellbildung kontinuierlicher Systeme 112
Literaturhinweise 117
Inhaltsverzeichnis XI
4 Verhalten kontinuierlicher Systeme 119
4.1 Vorhersage des Systemverhaltens 119
4.2 Verhalten linearer Systeme 120
4.2.1 Lösung der Zustandsgieichung 120
4.2.2 Berechnung der Ausgangsgröße 123
4.2.3 Anmerkungen zum Zustandsbegriff 128
4.2.4 Bewegungsgleichung in kanonischer Form 132
4.2.5 Übergangsfunktion 137
4.2.6 Berechnung der Matrixexponentialfunktion 139
4.3 Verhalten nichtlinearer Systeme 140
4.3.1 Lösung der nichtlinearen Modellgleichungen 140
4.3.2 Rechnergestützte Analyse nichtlinearer Systeme 142
4.4 Kennwertermittlung 146
Literaturhinweise 148
5 Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit 149
5.1 Definition der Steuerbarkeit und der Beobachtbarkeit 149
5.2 Steuerbarkeit linearer Systeme 151
5.2.1 Steuerbarkeitskriterium 151
5.2.2 Eigenschaften vollständig steuerbarer Systeme 152
5.3 Beobachtbarkeit linearer Systeme 157
5.3.1 Beobachtbarkeitskriterium 157
5.3.2 Berechnung des Anfangszustandes aus n Messwerten 158
5.3.3 Bestimmung des Anfangszustandes mit Hilfe der gramschen
Beobachtbarkeitsmatrix 160
5.4 Strukturelle Steuerbarkeit und strukturelle Beobachtbarkeit 162
5.4.1 Strukturgraf 162
5.4.2 Definition und Kriterien für die strukturelle Steuerbarkeit und
strukturelle Beobachtbarkeit 163
5.4.3 Strukturelle Analyse nichtlinearer Systeme 167
5.5 Systemzerlegung entsprechend den Steuerbarkeits und
Beobachtbarkeitseigenschaften 168
Literaturhinweise 172
6 Stabilität 173
6.1 Stabilitätsdefinition 173
6.2 Stabilitätsanalyse linearer Systeme 176
6.2.1 Stabilitätsanalyse anhand der Eigenwerte der Systemmatrix 176
6.2.2 Hurwitzkriterium 179
6.3 Stabilitätsanalyse nichtlinearer Systeme 182
6.3.1 Lösungswege 182
6.3.2 Stabilitätsprüfung mit dem linearisierten Modell 184
6.3.3 Direkte Methode von Ljapunow 187
6.3.4 Anwendung der Direkten Methode auf lineare Systeme 192
6.4 Stabilität von Regelkreisen 195
XII Inhaltsverzeichnis
6.4.1 Stabilität der Regelstrecke und des Regelkreises 195
6.4.2 Robuste Stabilität 198
6.5 Ausblick: Weitere Verfahren für die Stabilitätsprüfung 199
Literaturhinweise 200
7 Einschleifige Regelkreise 201
7.1 Regelungsaufgabe 201
7.2 Modell des Standardregelkreises 204
7.2.1 Linearer Regelkreis 204
7.2.2 Nichtlinearer Regelkreis 207
7.3 Wichtige Eigenschaften von Regelkreisen 208
7.3.1 Störkompensation und Sollwertfolge 209
7.3.2 Erreichbare Regelgüte 217
7.3.3 Robustheit 218
7.4 Reglertypen 222
7.4.1 PID Regler 222
7.4.2 Weitere Reglerkomponenten 225
Literaturhinweise 227
8 Entwurfsverfahren für PID Regler 229
8.1 Entwurfsschritte 229
8.2 Einstellregeln für PID Regler 231
8.3 Robuste PI Regelung 238
8.3.1 Gegenkopplungsbedingung für I Regler 238
8.3.2 Reglereinstellung 240
8.3.3 Erweiterung auf PI Regler 242
8.4 Ausblick: Verfahren für den Reglerentwurf 246
Literaturhinweise 247
9 Zustandsbeobachtung kontinuierlicher Systeme 249
9.1 Beobachtungsaufgabe 249
9.2 Luenbergerbeobachter 251
9.2.1 Grundidee 251
9.2.2 Beobachterstruktur 253
9.2.3 Wahl der Beobachterrückführung 254
9.2.4 Verhalten des Beobachters bei Störungen und Modellunsicherheiten. 260
9.3 Beobachter für nichtlineare Systeme 267
9.4 Anwendungen der Zustandsbeobachtung 269
9.4.1 Beobachtung eines Teilsystems 269
9.4.2 Online Vorhersage des Systemverhaltens 270
9.4.3 Regelung unter Verwendung einer beobachteten Regelgröße 271
Literaturhinweise 273
Inhaltsverzeichnis XIII
10 Diagnose kontinuierlicher Systeme 275
10.1 Diagnoseaufgabe und Lösungswege 275
10.1.1 Diagnoseaufgabe 275
10.1.2 Diagnoseschritte 278
10.1.3 Signalbasierte und modellbasierte Diagnose 278
10.1.4 Modelle des fehlerfreien und des fehlerhaften Systems 280
10.1.5 Diagnose mit statischen und dynamischen Modellen 282
10.1.6 Prinzip der konsistenzbasierten Diagnose 283
10.2 Fehlererkennung mit einem Zustandsbeobachter 285
10.3 Sensorüberwachung 290
10.3.1 Aufgabe der Sensorüberwachung 290
10.3.2 Fehlerlokalisierung mit dedizierten Beobachtern 291
10.3.3 Erweiterung 300
10.4 Fehleridentifikation 301
10.4.1 Fehleridentifikation mit einer Beobachterbank 301
10.4.2 Fehleridentifikation unter Verwendung von Fehlermodellen 303
10.4.3 Entwurf beobachtergestützter Diagnosesysteme 305
10.5 Ausblick: Diagnose und fehlertolerante Steuerung 314
Literaturhinweise 315
Teil 3: Automatisierung ereignisdiskreter Systeme
11 Beschreibung diskreter Systeme 317
11.1 Modellbildungsaufgabe 317
11.1.1 Diskrete Signale und Ereignisse 317
11.1.2 Modellbildungsziel und Modellbildungsschritte 324
11.2 Deterministische Automaten 327
11.2.1 Autonome deterministische Automaten 327
11.2.2 Deterministische Automaten mit Eingang und Ausgang 333
11.3 Nichtdeterministische Automaten 339
11.3.1 Deterministische und nichtdeterministische Systeme 339
11.3.2 Autonome nichtdeterministische Automaten 340
11.3.3 Nichtdeterministische Automaten mit Eingang und Ausgang 350
11.4 Stochastische Automaten 356
11.4.1 Beschreibung stochastischer Prozesse 356
11.4.2 Autonome stochastische Automaten 360
11.4.3 Stochastische Automaten mit Eingang und Ausgang 366
11.4.4 Markoveigenschaft dynamischer Systeme 369
11.5 Petrinetze 372
11.5.1 Autonome Petrinetze 372
11.5.2 Petrinetze mit Eingang und Ausgang 385
11.5.3 Beziehungen zwischen Petrinetzen und Automaten 388
XIV Inhaltsverzeichnis
11.6 Kompositionale Modellbildung diskreter Systeme 391
11.6.1 Modellbildungsaufgabe 391
11.6.2 Synchronisation von Automaten 392
11.6.3 Reihenschaltung 396
11.6.4 Rückführautomat 399
Literaturhinweise 408
12 Verhalten diskreter Systeme 409
12.1 Vorhersage des System Verhaltens 409
12.2 Verhalten deterministischer Automaten 410
12.2.1 Berechnung der Zustands und Ausgabefolge 410
12.2.2 Erreichbarkeitsanalyse des Automatengrafen 411
12.2.3 Strukturelle Analyse deterministischer Automaten 413
12.2.4 Steuerbarkeit deterministischer Automaten 415
12.3 Verhalten nichtdeterministischer Automaten 416
12.3.1 Berechnung der Zustands und Ausgabefolgen 416
12.3.2 Strukturelle Analyse nichtdeterministischer Automaten 419
12.3.3 Steuerbarkeit nichtdeterministischer Automaten 420
12.4 Verhalten stochastischer Automaten 423
12.4.1 Berechnung der Zustandsfolgen autonomer stochastischer Automaten . 423
12.4.2 Strukturelle Analyse stochastischer Automaten 425
12.4.3 Erweiterung auf Automaten mit Eingang und Ausgang 426
12.5 Verhalten von Petrinetzen 428
12.5.1 Berechnung der Markierungsfolgen 428
12.5.2 Strukturelle Analyse von Petrinetzen 428
12.5.3 Invarianten 430
Literaturhinweise 437
13 Steuerung diskreter Systeme 439
13.1 Steuerungsaufgabe 439
13.2 Verknüpfungssteuerungen 442
13.3 Ablaufsteuerungen 443
13.3.1 Steuerungsgesetz 443
13.3.2 Zeitplansteuerungen 447
13.4 Speicherprogrammierbare Steuerungen 452
Literaturhinweise 453
14 Entwurf diskreter Steuerungen 455
14.1 Entwurfsschritte 455
14.1.1 Systematischer Steuerungsentwurf 455
14.1.2 Heuristische Festlegung des Steuerungsgesetzes 457
14.2 Steuerungsentwurf für Automaten 459
14.2.1 Entwurfsproblem 459
14.2.2 Steuerungsentwurf für deterministische Automaten 460
14.2.3 Erweiterungen 462
Inhaltsverzeichnis XV
14.2.4 Steuerungsentwurf für nichtdeterministische Automaten 466
14.3 Steuerungsentwurf für Petrinetze 467
14.3.1 Entwurf mit Hilfe des Erreichbarkeitsgrafen 467
14.3.2 Entwurf unter Nutzung von S Invarianten 469
14.4 Verifikation diskreter Steuerungen 473
Literaturhinweise 477
15 Zustandsbeobachtung diskreter Systeme 479
15.1 Beobachtungsaufgabe 479
15.2 Beobachtung deterministischer und nichtdeterministischer Automaten 480
15.2.1 Beobachtungsalgorithmus für nichtdeterministische Automaten 480
15.2.2 Darstellung des Beobachtungsalgorithmus als Automat 487
15.2.3 Anwendung des Beobachtungsalgorithmus auf deterministische
Automaten 489
15.2.4 Konsistenz von E/A Paaren mit nichtdeterministischen Automaten. 491
15.3 Beobachtung stochastischer Automaten 493
Literaturhinweise 501
16 Diagnose diskreter Systeme 503
16.1 Diagnoseaufgabe 503
16.2 Diagnose nichtdeterministischer Automaten 504
16.2.1 Modellierung fehlerbehafteter Systeme 504
16.2.2 Detektion konstanter Fehler 506
16.2.3 Identifikation konstanter Fehler 507
16.2.4 Lösung der Diagnoseaufgabe für zeitabhängige Fehler 513
16.3 Diagnose stochastischer Automaten 515
16.3.1 Beschreibung fehlerbehafteter Systeme durch stochastische Automaten 515
16.3.2 Grundidee der Diagnose stochastischer Systeme 516
16.3.3 Diagnosealgorithmus 522
Literaturhinweise 531
17 Ausblick: Überwachung und Steuerung hybrider dynamischer Systeme 533
17.1 Automatisierung kontinuierlicher und ereignisdiskreter Systeme 533
17.2 Hybride dynamische Systeme 535
Literaturhinweise 540
Literaturverzeichnis 541
Anhänge
Anhang 1: Lösung der Übungsaufgaben 545
Anhang 2: Fachwörter deutsch englisch 633
Sachwortverzeichnis 637 |
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