Verfügbarkeit: Einstieg in die Regelungstechnik mit Python

Einstieg in die Regelungstechnik mit Python:

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser:	Philippsen, Hans-Werner (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	München Hanser [2022]
Ausgabe:	4., überarbeitete Auflage
Schlagworte:	Regelungstechnik Python > Programmiersprache Digitale Regelung Reglerentwurf Automatisierung Lehrbuch NumPy Python SciPy FBETREGE: Regelungstechnik FBLEHR: Lehrbuch ELEK2022
Online-Zugang:	Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	X, 396 Seiten Illustrationen, Diagramme 24 cm
ISBN:	9783446472822 3446472827

Internformat

MARC


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adam_text	INHALT 1 EINFUEHRUNG ..................................................................................... 1 1.1 DAS PRINZIP DER STEUERUNG .......................................................................... 2 1.2 DAS PRINZIP DER REGELUNG ............................................................................. 2 1.3 SIGNALE UND KOMPONENTEN DES REGELKREISES ............................................. 3 1.4 KLASSIFIKATION VON REGELUNGEN ..................................................................... 4 1.5 REGELUNGSSTRATEGIEN .................................................................................... 5 1.6 YYBESTE EINSTELLUNG EINES REGLERS ............................................................... 6 1.7 STATISCHES UEBERTRAGUNGSVERHALTEN ............................................................... 10 1.8 DYNAMISCHES VERHALTEN LINEARER UEBERTRAGUNGSGLIEDER .............................. 16 1.9 BESONDERE FUEHRUNGSGROESSEN ........................................................................ 21 1.10 VORGEHENSMODELL REGLERENTWURF ................................................................. 22 2 EINFUEHRUNG PYTHON UND PAKETE .................................................... 27 2.1 PYTHON ............................................................................................................. 27 2.2 MATPLOTLIB ....................................................................................................... 32 2.3 NUMPY ........................................................................................................... 35 2.4 SCIPY ............................................................................................................... 37 2.5 PYTHON CONTROL SYSTEMS TOOLBOX .................................................................. 40 2.6 MICROPYTHON ................................................................................................... 41 3 MATHEMATISCHE MODELLE ............................................................... 47 3.1 LOESUNG DER DIFFERENZIALGLEICHUNG MITHILFE EINES SIMULATORS ...................... 47 3.2 LOESUNG DER DIFFERENZIALGLEICHUNG MITHILFE DER LAPLACE-TRANSFORMATION ... 48 3.2.1 REGELN FUER DAS RECHNEN MIT UEBERTRAGUNGSFUNKTIONEN .................... 53 3.2.2 ANFANGSWERT UND ENDWERTSAETZE ...................................................... 55 3.3 FREQUENZGANG ............................................................................................... 59 3.3.1 BERECHNUNG UND MESSUNG DES FREQUENZGANGS ............................... 59 3.3.2 DARSTELLUNG DES FREQUENZGANGS IN DER ORTSKURVE .......................... 62 3.3.3 DARSTELLUNG DES FREQUENZGANGS IM BODE-DIAGRAMM ..................... 64 3.4 PYTHON-BEISPIEL ............................................................................................. 66 3.5 MATHEMATISCHE SIGNALMODELLE ...................................................................... 68 3.6 ELEMENTARE UEBERTRAGUNGSGLIEDER .................................................................. 69 3.6.1 PROPORTIONALGLIED (P-GLIED) .............................................................. 69 3.6.2 INTEGRIERENDES GLIED (I-GLIED) ........................................................... 71 3.6.3 DIFFERENZIERENDES GLIED (D-GLIED) ..................................................... 73 3.6.4 TOTZEITGLIED (T-GLIED) ........................................................................ 74 3.7 WIRKUNGSPLAN-ELEMENTE DER ELEKTROTECHNIK ................................................. 75 VIII INHALT 4 REGELSTRECKEN ................................................................................. 79 4.1 VERZOEGERUNGSGLIED 1. ORDNUNG (P-T^GLIED) ................................................ 79 4.2 VERZOEGERUNGSGLIED N-TER ORDNUNG (P-T N -GLIED) ............................................ 81 4.3 VERZOEGERUNGSGLIED 2. ORDNUNG (P-T 2 -GLIED) ................................................ 85 4.4 TOTZEIT-STRECKE MIT VERZOEGERUNG ................................................................. 92 4.5 INTEGRALE STRECKE MIT VERZOEGERUNG (I-T,-GLIED)............................................ 95 4.6 LEAD-LAG-GLIED .............................................................................................. 98 4.7 DAS ALLGEMEINE RATIONALE UEBERTRAGUNGSGLIED .............................................. 100 4.8 STRECKE OHNE AUSGLEICH: BEISPIEL FAHRZEUGLENKUNG ................................... 102 4.9 STRECKE MIT AUSGLEICH: BEISPIEL DC-MOTOR .................................................... 107 4.10 NICHT LINEARE STRECKE MIT AUSGLEICH: BEISPIEL FAHRZEUG ............................. 115 4.11 NICHT LINEARE STRECKE MIT AUSGLEICH: BEISPIEL TIEFSETZSTELLER ..................... 119 5 PID-REGLER ....................................................................................... 123 5.1 PI-REGLER ........................................................................................................ 123 5.2 PD-REGLER ...................................................................................................... 128 5.3 PD-T,-REGIER .................................................................................................. 129 5.4 PID-REGLER ...................................................................................................... 132 5.5 PID-T,-REGLER ................................................................................................ 133 5.6 INDUSTRIELLE PID-REGLER ................................................................................. 135 5.6.1 KOMPAKTREGLER .................................................................................. 135 5.6.2 REGLER-SOFTWARE-BAUSTEIN ................................................................... 138 5.6.3 SERVO-REGLER ...................................................................................... 140 6 REGLERENTWURF ................................................................................. 143 6.1 STATIONAERES REGELKREISVERHALTEN ................................................................... 144 6.2 DYNAMISCHES REGELKREISVERHALTEN ............................................................... 150 6.3 STABILITAET ........................................................................................................ 152 6.4 FREQUENZKENNLINIENVERFAHREN ..................................................................... 161 6.5 KOMPENSATIONSREGLERENTWURF ....................................................................... 164 6.6 ENTWURFSVERFAHREN FUER PID-REGLER ............................................................... 165 6.6.1 PID-KOMPENSATIONSREGLER ................................................................. 165 6.6.2 DAS BETRAGSOPTIMUM ........................................................................ 169 6.6.3 EINSTELLREGEL NACH ZIEGLER UND NICHOLS ............................................. 173 6.6.4 T-SUMMEN-EINSTELLREGEL ..................................................................... 174 6.6.5 EINSTELLREGEL VON CHIEN, HRONES UND RESWICK .................................. 176 6.7 REGELUNG VON I-T^STRECKEN ........................................................................... 179 6.8 REGELUNG VON STRECKEN MIT TOTZEIT ............................................................... 191 6.9 NUMERISCHE OPTIMIERUNG DER REGLERPARAMETER .......................................... 196 6.9.1 OPTIMIERUNG MITHILFE VON EVOLUTIONAEREN ALGORITHMEN .................... 197 6.9.2 NUMERISCHE OPTIMIERUNG FUER DEN ROBUSTEN ENTWURF ...................... 200 INHALT IX 7 BESONDERE STRUKTUREN DER REGELUNGSTECHNIK ............................. 207 7.1 STOERGROESSENAUFSCHALTUNG ................................................................................ 207 7.1.1 STATISCHE STOERGROESSENAUFSCHALTUNG .................................................... 208 7.1.2 DYNAMISCHE STOERGROESSENAUFSCHALTUNG ................................................ 209 7.2 KASKADENREGLER .............................................................................................. 210 7.3 REGELKREIS MIT VORFILTER UND VORSTEUERUNG ................................................... 213 7.4 REGLER IN DER RUECKFUEHRUNG ............................................................................ 216 7.5 ENTKOPPLUNG VON MEHRGROESSENSYSTEMEN ....................................................... 217 7.6 SCHALTENDE REGLER .......................................................................................... 220 7.7 ZUSTANDSRAUMBESCHREIBUNG .......................................................................... 226 7.7.1 EINFUEHRUNG ZUSTANDSRAUM ............................................................... 226 7.7.2 ZUSTANDSRAUMMODELL DC-MOTOR ....................................................... 233 7.7.3 AEHNLICHKEITSTRANSFORMATION ............................................................... 235 7.8 ZUSTANDSREGLER ............................................................................................... 239 7.8.1 STRUKTUR EINES ZUSTANDSREGLERS ......................................................... 239 7.8.2 ENTWURF ZUSTANDSREGLER ..................................................................... 241 7.8.3 BEISPIEL PORTALKRAN ............................................................................ 248 7.9 BEOBACHTER ..................................................................................................... 256 7.10 MODELLREDUKTION ........................................................................................... 260 8 DIGITALE REGELUNGEN ......................................................................... 265 8.1 ANALOG-DIGITAL-WANDLUNG .............................................................................. 268 8.2 SIGNALE DES DIGITALEN REGELKREISES ................................................................. 271 8.3 MATHEMATISCHE BESCHREIBUNG DES ABTASTVORGANGS ...................................... 272 8.3.1 ABTASTTHEOREM VON SHANNON ............................................................. 273 8.3.2 WAHL DER ABTASTZEIT ........................................................................... 274 8.3.3 ABTAST-HALTEGLIED .............................................................................. 274 8.4 DISKRETISIERUNG LINEARER SYSTEME ................................................................ 278 8.4.1 DISKRETISIERUNG P-T^GLIED ................................................................. 278 8.4.2 DISKRETISIERUNG I-GLIED ....................................................................... 281 8.5 DISKRETISIERTE GRUNDREGLER ............................................................................ 282 8.5.1 DISKRETISIERTER P-REGLER ..................................................................... 284 8.5.2 DISKRETISIERTER I-REGLER ....................................................................... 284 8.5.3 DISKRETISIERTER PI-REGLER ................................................................... 285 8.5.4 DISKRETISIERTER D-T ^REGLER ................................................................. 285 8.6 REGLERALGORITHMEN ......................................................................................... 286 8.7 Z-TRANSFORMATION ........................................................................................... 289 8.8 STABILITAET ZEITDISKRETER SYSTEME .................................................................... 299 8.9 BILINEARE TRANSFORMATION .............................................................................. 301 8.10 ENTWURF DIGITALER REGLER ................................................................................ 306 8.11 MOTION CONTROL ............................................................................................... 310 X INHALT 9 BEISPIELE UND AUFGABEN ................................................................... 325 9.1 BEISPIELE ........................................................................................................ 325 9.1.1 TEMPERATURREGELSTRECKE .................................................................... 325 9.1.2 DREHZAHLREGELUNG ELEKTROMOTOR ....................................................... 333 9.1.3 PENDEL ............................................................................................... 338 9.1.4 DREIFACHKASKADE ................................................................................ 343 9.1.5 QUERDYNAMIKREGELUNG ...................................................................... 352 9.2 AUFGABEN ........................................................................................................ 360 9.2.1 RECHNEN MIT WIRKUNGSPLAENEN UND UEBERTRAGUNGSFUNKTIONEN ........ 360 9.2.2 ELEKTRISCHE NETZWERKE ...................................................................... 361 9.2.3 BESTIMMUNG VON KENNGROESSEN ........................................................... 361 9.2.4 BERECHNUNG DER SPRUNGANTWORT ....................................................... 362 9.2.5 VERHALTEN VON PID-REGLERN ................................................................ 362 9.2.6 BERECHNUNG VON REGELKREISEN ........................................................... 362 9.2.7 REGLERENTWURF .................................................................................... 363 9.2.8 DISKRETISIERUNG VON SYSTEMEN ......................................................... 363 9.2.9 MODELLBILDUNG UND REGLERENTWURF ................................................... 364 9.3 LOESUNGEN DER UEBUNGSAUFGABEN ................................................................... 364 10 ANHANG .............................................................................................. 369 10.1 LAPLACE-KORRESPONDENZTABELLE ................................................................... 369 10.2 BERECHNUNG DER SPRUNGANTWORT EINES P-T 2 -GLIEDES ................................... 370 10.3 BESTIMMUNG DER UEBERSCHWINGWEITE EINES P-T 2 -GLIEDES ............................. 373 10.4 REGLERENTWURF GEMAESS BETRAGSOPTIMUM ..................................................... 375 10.5 INSTALLATION DER SOFTWARE ............................................................................ 377 10.6 JUPYTER NOTEBOOKS ........................................................................................ 379 10.7 INPUT OUTPUT SYSTEMS IOSYS 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adam_txt	INHALT 1 EINFUEHRUNG . 1 1.1 DAS PRINZIP DER STEUERUNG . 2 1.2 DAS PRINZIP DER REGELUNG . 2 1.3 SIGNALE UND KOMPONENTEN DES REGELKREISES . 3 1.4 KLASSIFIKATION VON REGELUNGEN . 4 1.5 REGELUNGSSTRATEGIEN . 5 1.6 YYBESTE " EINSTELLUNG EINES REGLERS . 6 1.7 STATISCHES UEBERTRAGUNGSVERHALTEN . 10 1.8 DYNAMISCHES VERHALTEN LINEARER UEBERTRAGUNGSGLIEDER . 16 1.9 BESONDERE FUEHRUNGSGROESSEN . 21 1.10 VORGEHENSMODELL REGLERENTWURF . 22 2 EINFUEHRUNG PYTHON UND PAKETE . 27 2.1 PYTHON . 27 2.2 MATPLOTLIB . 32 2.3 NUMPY . 35 2.4 SCIPY . 37 2.5 PYTHON CONTROL SYSTEMS TOOLBOX . 40 2.6 MICROPYTHON . 41 3 MATHEMATISCHE MODELLE . 47 3.1 LOESUNG DER DIFFERENZIALGLEICHUNG MITHILFE EINES SIMULATORS . 47 3.2 LOESUNG DER DIFFERENZIALGLEICHUNG MITHILFE DER LAPLACE-TRANSFORMATION . 48 3.2.1 REGELN FUER DAS RECHNEN MIT UEBERTRAGUNGSFUNKTIONEN . 53 3.2.2 ANFANGSWERT UND ENDWERTSAETZE . 55 3.3 FREQUENZGANG . 59 3.3.1 BERECHNUNG UND MESSUNG DES FREQUENZGANGS . 59 3.3.2 DARSTELLUNG DES FREQUENZGANGS IN DER ORTSKURVE . 62 3.3.3 DARSTELLUNG DES FREQUENZGANGS IM BODE-DIAGRAMM . 64 3.4 PYTHON-BEISPIEL . 66 3.5 MATHEMATISCHE SIGNALMODELLE . 68 3.6 ELEMENTARE UEBERTRAGUNGSGLIEDER . 69 3.6.1 PROPORTIONALGLIED (P-GLIED) . 69 3.6.2 INTEGRIERENDES GLIED (I-GLIED) . 71 3.6.3 DIFFERENZIERENDES GLIED (D-GLIED) . 73 3.6.4 TOTZEITGLIED (T-GLIED) . 74 3.7 WIRKUNGSPLAN-ELEMENTE DER ELEKTROTECHNIK . 75 VIII INHALT 4 REGELSTRECKEN . 79 4.1 VERZOEGERUNGSGLIED 1. ORDNUNG (P-T^GLIED) . 79 4.2 VERZOEGERUNGSGLIED N-TER ORDNUNG (P-T N -GLIED) . 81 4.3 VERZOEGERUNGSGLIED 2. ORDNUNG (P-T 2 -GLIED) . 85 4.4 TOTZEIT-STRECKE MIT VERZOEGERUNG . 92 4.5 INTEGRALE STRECKE MIT VERZOEGERUNG (I-T,-GLIED). 95 4.6 LEAD-LAG-GLIED . 98 4.7 DAS ALLGEMEINE RATIONALE UEBERTRAGUNGSGLIED . 100 4.8 STRECKE OHNE AUSGLEICH: BEISPIEL FAHRZEUGLENKUNG . 102 4.9 STRECKE MIT AUSGLEICH: BEISPIEL DC-MOTOR . 107 4.10 NICHT LINEARE STRECKE MIT AUSGLEICH: BEISPIEL FAHRZEUG . 115 4.11 NICHT LINEARE STRECKE MIT AUSGLEICH: BEISPIEL TIEFSETZSTELLER . 119 5 PID-REGLER . 123 5.1 PI-REGLER . 123 5.2 PD-REGLER . 128 5.3 PD-T,-REGIER . 129 5.4 PID-REGLER . 132 5.5 PID-T,-REGLER . 133 5.6 INDUSTRIELLE PID-REGLER . 135 5.6.1 KOMPAKTREGLER . 135 5.6.2 REGLER-SOFTWARE-BAUSTEIN . 138 5.6.3 SERVO-REGLER . 140 6 REGLERENTWURF . 143 6.1 STATIONAERES REGELKREISVERHALTEN . 144 6.2 DYNAMISCHES REGELKREISVERHALTEN . 150 6.3 STABILITAET . 152 6.4 FREQUENZKENNLINIENVERFAHREN . 161 6.5 KOMPENSATIONSREGLERENTWURF . 164 6.6 ENTWURFSVERFAHREN FUER PID-REGLER . 165 6.6.1 PID-KOMPENSATIONSREGLER . 165 6.6.2 DAS BETRAGSOPTIMUM . 169 6.6.3 EINSTELLREGEL NACH ZIEGLER UND NICHOLS . 173 6.6.4 T-SUMMEN-EINSTELLREGEL . 174 6.6.5 EINSTELLREGEL VON CHIEN, HRONES UND RESWICK . 176 6.7 REGELUNG VON I-T^STRECKEN . 179 6.8 REGELUNG VON STRECKEN MIT TOTZEIT . 191 6.9 NUMERISCHE OPTIMIERUNG DER REGLERPARAMETER . 196 6.9.1 OPTIMIERUNG MITHILFE VON EVOLUTIONAEREN ALGORITHMEN . 197 6.9.2 NUMERISCHE OPTIMIERUNG FUER DEN ROBUSTEN ENTWURF . 200 INHALT IX 7 BESONDERE STRUKTUREN DER REGELUNGSTECHNIK . 207 7.1 STOERGROESSENAUFSCHALTUNG . 207 7.1.1 STATISCHE STOERGROESSENAUFSCHALTUNG . 208 7.1.2 DYNAMISCHE STOERGROESSENAUFSCHALTUNG . 209 7.2 KASKADENREGLER . 210 7.3 REGELKREIS MIT VORFILTER UND VORSTEUERUNG . 213 7.4 REGLER IN DER RUECKFUEHRUNG . 216 7.5 ENTKOPPLUNG VON MEHRGROESSENSYSTEMEN . 217 7.6 SCHALTENDE REGLER . 220 7.7 ZUSTANDSRAUMBESCHREIBUNG . 226 7.7.1 EINFUEHRUNG ZUSTANDSRAUM . 226 7.7.2 ZUSTANDSRAUMMODELL DC-MOTOR . 233 7.7.3 AEHNLICHKEITSTRANSFORMATION . 235 7.8 ZUSTANDSREGLER . 239 7.8.1 STRUKTUR EINES ZUSTANDSREGLERS . 239 7.8.2 ENTWURF ZUSTANDSREGLER . 241 7.8.3 BEISPIEL PORTALKRAN . 248 7.9 BEOBACHTER . 256 7.10 MODELLREDUKTION . 260 8 DIGITALE REGELUNGEN . 265 8.1 ANALOG-DIGITAL-WANDLUNG . 268 8.2 SIGNALE DES DIGITALEN REGELKREISES . 271 8.3 MATHEMATISCHE BESCHREIBUNG DES ABTASTVORGANGS . 272 8.3.1 ABTASTTHEOREM VON SHANNON . 273 8.3.2 WAHL DER ABTASTZEIT . 274 8.3.3 ABTAST-HALTEGLIED . 274 8.4 DISKRETISIERUNG LINEARER SYSTEME . 278 8.4.1 DISKRETISIERUNG P-T^GLIED . 278 8.4.2 DISKRETISIERUNG I-GLIED . 281 8.5 DISKRETISIERTE GRUNDREGLER . 282 8.5.1 DISKRETISIERTER P-REGLER . 284 8.5.2 DISKRETISIERTER I-REGLER . 284 8.5.3 DISKRETISIERTER PI-REGLER . 285 8.5.4 DISKRETISIERTER D-T ^REGLER . 285 8.6 REGLERALGORITHMEN . 286 8.7 Z-TRANSFORMATION . 289 8.8 STABILITAET ZEITDISKRETER SYSTEME . 299 8.9 BILINEARE TRANSFORMATION . 301 8.10 ENTWURF DIGITALER REGLER . 306 8.11 MOTION CONTROL . 310 X INHALT 9 BEISPIELE UND AUFGABEN . 325 9.1 BEISPIELE . 325 9.1.1 TEMPERATURREGELSTRECKE . 325 9.1.2 DREHZAHLREGELUNG ELEKTROMOTOR . 333 9.1.3 PENDEL . 338 9.1.4 DREIFACHKASKADE . 343 9.1.5 QUERDYNAMIKREGELUNG . 352 9.2 AUFGABEN . 360 9.2.1 RECHNEN MIT WIRKUNGSPLAENEN UND UEBERTRAGUNGSFUNKTIONEN . 360 9.2.2 ELEKTRISCHE NETZWERKE . 361 9.2.3 BESTIMMUNG VON KENNGROESSEN . 361 9.2.4 BERECHNUNG DER SPRUNGANTWORT . 362 9.2.5 VERHALTEN VON PID-REGLERN . 362 9.2.6 BERECHNUNG VON REGELKREISEN . 362 9.2.7 REGLERENTWURF . 363 9.2.8 DISKRETISIERUNG VON SYSTEMEN . 363 9.2.9 MODELLBILDUNG UND REGLERENTWURF . 364 9.3 LOESUNGEN DER UEBUNGSAUFGABEN . 364 10 ANHANG . 369 10.1 LAPLACE-KORRESPONDENZTABELLE . 369 10.2 BERECHNUNG DER SPRUNGANTWORT EINES P-T 2 -GLIEDES . 370 10.3 BESTIMMUNG DER UEBERSCHWINGWEITE EINES P-T 2 -GLIEDES . 373 10.4 REGLERENTWURF GEMAESS BETRAGSOPTIMUM . 375 10.5 INSTALLATION DER SOFTWARE . 377 10.6 JUPYTER NOTEBOOKS . 379 10.7 INPUT OUTPUT SYSTEMS IOSYS . 381 10.8 FORMELZEICHEN . 387 10.9 ABKUERZUNGEN . 390 10.10 LITERATUR . 391 INDEX . 393
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