Grundlagen der Regelungstechnik
Dr.-Ing. Georg von WichertSiemens AG, Corporate Technology, München
Einführung
Was ist Regelungstechnik?
Steuerung versus Regelung ― Definitionen und Begriffe
Wofür kann man so etwas brauchen?
Was will ich hier erreichen? Was sollen Sie hier mitnehmen?
Was ist Regelungstechnik?
Regelungstechnik:• Lehre von der gezielten Beeinflussung dynamischer Systeme
Dynamisches System:• System, das einer zeitlichen Änderung unterliegt
Dynamisches System
Stellgröße Regelgröße
Störgröße
Und nun?
Regelungstechnik:• Lehre von der gezielten Beeinflussung dynamischer Systeme
• Gezielte Beeinflussung!– Die Regelgröße soll einen von uns bestimmten Wert annehmen– Beeinflussung über Stellgröße
• Zwei Möglichkeiten– Steuerung– Regelung
Dynamisches System
Stellgröße Regelgröße
Störgröße
Steuerung (Open loop control)
• Steuerung wirkt auf die Stellgröße und beeinflusst damit die
Regelgröße
• Nachteil: Die Steuerung „weiß“ nicht, ob die Regelgröße den
gewünschten Wert hat!
– Probleme bei
• Instabilität
• Starken Störungen
• Ungenau bekanntem Prozess
Dynamisches System
Stellgröße Regelgröße
Störgröße
SteuerungSollgröße
Regelung (Closed loop control)
• Regler wirkt auf die Stellgröße und beeinflusst damit die
Regelgröße
• Rückführung der Regelgröße und Vergleich mit der Sollgröße
• Vorteil: Der Regler „weiß“, ob die Regelgröße den
gewünschten Wert hat!
Dynamisches System
Stellgröße Regelgröße
Störgröße
Regler+
-
Sollgröße
Regelkreis
Regelung (Closed loop control)
• Regler wirkt auf die Stellgröße und beeinflusst damit die
Regelgröße
• Rückführung der Regelgröße und Vergleich mit der Sollgröße
• Vorteil: Der Regler „weiß“, ob die Regelgröße den
gewünschten Wert hat!
Dynamisches System
Stellgröße Regelgröße
Störgröße
Regler+
-
Sollgröße
Wofür kann man so etwas brauchen?
Wofür kann man so etwas brauchen?
Wofür kann man so etwas brauchen?
• Temperaturgeregelter CPU-Lüfter• Geregelte Ausgangsspannung im „Schaltnetzteil“
Wofür kann man so etwas brauchen?
Unter Ausnutzung des Tunneleffektes zwischen metallischer oder halbleitender Probenoberfläche und Tunnelspitze wird letztere lateral über die Probe geführt und unter Konstanthaltung des Tunnelstroms über einen Regelkreis in der Höhe nachgestellt.
…Höhenauslenkungen werden … über einen Lichtzeiger registriert.
Wofür kann man so etwas brauchen?
Die wichtigsten Hormone zur Steuerung des weiblichen und männlichen Fortpflanzungszyklus Die hormonelle Steuerung des weiblichen und männlichen Fortpflanzungssystems erfolgt durch das Zusammenspiel von Hypothalamus, Hypophyse und Geschlechtsorganen mit Hilfe der Hormone, die sie ausschütten (vgl. Abb.).
Der Hypothalamus schüttet gonadotropinfreisetzen-des Hormon (GnRH) aus, welches die Freisetzung von follikelstimulierendem Hormon (FSH) und luteinisierendem Hormon (LH) aus der Hypophyse auslöst. FSH und LH wiederum stimulieren die Eierstöcke bzw. die Hoden zur Ausschüttung der Geschlechtshormone (Östrogene, Progesteron und Testosteron).
Sind genügend Geschlechtshormone vorhanden, reagiert der Hypothalamus mit einer Drosselung der GnRH-Freisetzung.
Die niedrigere GnRH-Ausschüttung signalisiert dann der Hypophyse, weniger FSH und LH freizusetzen, was zu einer reduzierten Geschlechtshormonfreisetzung führt und somit den Regelkreis schließt.
Wofür kann man so etwas brauchen?
Alles, was wichtig ist, muss geregelt werden!
Lernziele
Was will ich hier erreichen? Was sollen Sie mitnehmen?
• Fähigkeit regelungstechnische Probleme zu erkennen
• Fähigkeit regelungstechnische Problemlösungen zu diskutieren
• Überblick über die grundlegenden Konzepte
• Überblick über die grundlegenden Ansätze und Techniken
• Fähigkeit zur selbständigen Vertiefung der Thematik
• Wissen, wo man nachschlagen muss!
Literatur
• O. Föllinger: Regelungstechnik, Hüthig-Verlag, Amazon €48
• J. Lunze: Regelungstechnik 1 & 2, Springer-Verlag • R. Unbehauen: Regelungstechnik 1 & 2, Vieweg-Verlag• W. Leonhard: Einführung in die Regelungstechnik, Vieweg-
Verlag
• Skript Prof. Schumacher, TU Braunschweighttp://www.ifr.ing.tu-bs.de/lehre/downloads/skripte/Skript_GdR.pdf
Modellierung dynamischer Systeme
Regelungstechnik - Dynamische Systeme
• Regelungstechnik beschäftigt sich mit dynamischen Systemen
• Der Prozess ist immer ein dynamisches System
• Der Regler ist (fast) immer ein dynamisches System
• Der geschlossene Regelkreis ist ein dynamisches System
Prozess
Stellgröße Regelgröße
Störgröße
Regler+
-
Sollgröße
Modellierung dynamischer Systeme
Dynamisches System:• System, das einer zeitlichen
Änderung unterliegt
• Wie beschreibt man ein dynamisches System?– Differentialgleichung
Beispiel: Segelboot in laminarerStrömung
Masse: m
Antriebskraft: fSReibungskraft: fW = r v
fS
fW m
)()()( trvtftvm S −=&
)()()( 1 tftvtv srrm =+&
Verhalten dynamischer Systeme?
• Wie verhält sich das System?
• Verlauf von v(t) bei gegebenem fS(t)?– Was macht das Boot wenn kein Wind weht?– Was passiert, wenn der Wind bei t=0 beginnt zu wehen?
• Anregung des dynamischen Systems, ab t=0 mit Kraft fS(t)
Dynamik des BootesEingang fs(t) Ausgang v(t)
)()()( 1 tftvtv srrm =+&
Verhalten dynamischer Systeme?
• Ergebnis durch Lösen der Differentialgleichung mit entsprechenden Randbedingungen– Im Allgemeinen ist dies keine sehr beliebte Tätigkeit!– Eigentliche Lösung meist uninteressant– Ziel: Charakterisierung des Systemverhaltens
Dynamik des BootesEingang fs(t) Ausgang v(t)
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Verhalten dynamischer Systeme?
• Ergebnis durch Lösen der Differentialgleichung mit entsprechenden Randbedingungen– Im Allgemeinen ist dies keine sehr beliebte Tätigkeit!– Eigentliche Lösung meist uninteressant– Ziel: Charakterisierung des Systemverhaltens
• In dieser Vorlesung nur lineare DGL mit konstanten Koeffizienten!
Dynamik des BootesEingang fs(t) Ausgang v(t)
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Verhalten dynamischer Systeme?
• Ergebnis durch Lösen der Differentialgleichung mit entsprechenden Randbedingungen– Im Allgemeinen ist dies keine sehr beliebte Tätigkeit!– Eigentliche Lösung meist uninteressant– Ziel: Charakterisierung des Systemverhaltens
• In dieser Vorlesung nur lineare DGL mit konstanten Koeffizienten!
• Lösung über Laplace-Transformation
– Ziel: Umwandlung der Differentialgleichungen in algebraische Gleichungen
Lösung über Laplace-Transformation
Problem imZeitbereich
Beschreibung im Frequenzbereich
Lösung im Frequenzbereich
Lösung im Zeitbereich
Laplace-Hin-transformation
Laplace-Rück-transformation
Lö
sun
g
der D
GL
Alg
eb
r.Lö
sun
g
Lösung über Laplace-Transformation
Problem imZeitbereich
Beschreibung im Frequenzbereich
Lösung im Frequenzbereich
Lösung im Zeitbereich
Laplace-Hin-transformation
Laplace-Rück-transformation
Lö
sun
g
der D
GL
Alg
eb
r.Lö
sun
g
Laplace-Transformation
• Ähnlich Fourier-Transformation
– zusätzlich Dämpfungsterm
– Existiert auch für Funktionen deren Fouriertransformierte nicht existiert
• Rücktransformation schwierig (Integration über komplexe Variable, Funktionentheorie)
– In der Praxis verwendet man Korrespondenztabellen (z.B. im Bronstein)
Hin:
Rück:
• Linearitätssatz
• Differentiationssatz
• Integrationssatz
Wichtige Eigenschaften der Laplacetransformation
Wichtige Eigenschaften der Laplacetransformation
• Differentialgleichungen werden zu algebraischen Gleichungen
)()()1( 1 sFsVs srrm =+
)()()( 1 tftvtv srrm =+&
)()()( 1 sFsVssV srrm =+
)()()( 1 sFsVs smmr =+
fS
fW m
Laplacetransformation• Linearitätssatz• Differentiationssatz
Wichtige Eigenschaften der Laplacetransformation
• Verschiebungssatz (R)
• Verschiebungssatz (L)
• Ähnlichkeitssatz
• Dämpfungssatz
• Multiplikationssatz
• Divisionssatz
• Integrationssatz
• Faltungssatz
Korrespondenztabelle
• Hier nur einige ausgewählte Funktionen– mehr bspw. im Bronstein
• Für Anfangswert 0 !
Lösung über Laplace-Transformation
Problem imZeitbereich
Beschreibung im Frequenzbereich
Lösung im Frequenzbereich
Lösung im Zeitbereich
Laplace-Hin-transformation
Laplace-Rück-transformation
Lö
sun
g
der D
GL
Alg
eb
r.Lö
sun
g
Verhalten dynamischer Systeme?
Dynamik des BootesEingang fs(t) Ausgang v(t)
)()()( 1 tftvtv srrm =+&
Dynamik des BootesEingang Fs(s) Ausgang V(s)
)()()( 1 sFsVs smmr =+
Zeitbereich
Frequenzbereich
Dynamik des BootesEingang Fs(s) Ausgang V(s)
Verhalten dynamischer Systeme?
Frequenzbereich
)()()( 1 sFsVs smmr =+
)()()( 1 sFsVs smmr =+
)(
1
)(
)()( 1
mrm
s ssF
sVsG
+==Übertragungsfunktion
)()()( sFsGsV S=
Verhalten dynamischer Systeme!
• Die Übertragungsfunktion G(s)
– Hängt nicht vom Eingangssignal ab
– Beschreibt das Systemverhalten vollständig
– Erlaubt es, Aussagen über das System zu machen
Frequenzbereich
Dynamik des BootesEingang Fs(s) Ausgang V(s)
)(
1
)(
)()( 1
mrm
s ssF
sVsG
+==
Lösung über Laplace-Transformation
Problem imZeitbereich
Beschreibung im Frequenzbereich
Lösung im Frequenzbereich
Lösung im Zeitbereich
Laplace-Hin-transformation
Laplace-Rück-transformation
Lö
sun
g
der D
GL
Alg
eb
r.Lö
sun
g
Zurück zu unserem Boot
• Verlauf von v(t) bei gegebenem fS(t)?– Was passiert, wenn der Wind bei t=0 beginnt zu wehen?
• Anregung des dynamischen Systems, ab t=0 mit Kraft fS(t)
0für 1)(mit )(
1)( System 1 ≥=
+= ttf
ssG s
mrm
ssFs
1)( =
Transformationstabelle
sssFsGsV
mrms
1
)(
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+==
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)( tmr
er
tv −−=Transformationstabelle
( )tess
1 )(
α
αα −−+
a
Sprungfunktion
Sprungantwort
Sprungantwort der Bootsdynamik
Step Response
Time (sec)
Am
plit
ud
e
0 10 20 30 40 50 600
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
0.01
Verzögerungsglied 1. Ordnung (PT1)
)1()(
Ts
KsG
+=
K : VerstärkungT : Zeitkonstante
(Anstiegszeit)
)1()( Tt
eKth−
−=
)()()( tKxtytyT =+&
Sprungantwort
Sprungantwort
Übertragungsfunktion
Differentialgleichung