I-/IT1-Strecke (BIT1S1)
Beschreibung und Anwendungsbeispiele
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Mit dem Fortschreiten der technologischen Entwicklungen müssen Anwender lernen, die Größenordnung und damit die modulare Einteilung eines technischen Systems einzuschätzen. Von der Systemstruktur hängt die Spezifikation der einzelnen Aufgabenstellungen für jede modulare Einheit ab, die zur Gestaltung der Gesamtlösung führt. Unabhängig von der Größenordnung des technischen Prozesses, also angefangen von der Messung einer speziellen physikalischen Größe mit einem Sensor über das Stellen einer Prozessgröße mit einem Aktor bis hin zur kompletten Fabrikautomation, lassen sich immer wieder zwei wesentliche Verarbeitungsstrukturen beim Umgang mit den Signalgrößen feststellen, nämlich das Steuern und das Regeln.
Diese Signalgrößen können z.B. Ströme und Spannungen, man spricht von elektrischen Signalgrößen, aber auch Druck, Temperatur, Drehzahl, Geschwindigkeit, Beleuchtungsstärke usw. sein, man spricht dann von nicht-elektrischen Größen.
Die wesentlichste Aufgabe der Regelung besteht darin, eine bestimmte Prozessgröße (Regelgröße, Istwert x) unabhängig von auftretenden Störungen auf einen vorgegebenen Führungswert (Sollwert w) zu bringen, der je nach Vorgabe, zeitlich konstant oder auch veränderlich sein kann.
In der Regelungstechnik ist die I-/IT1-Strecke Bestandteil des einschleifigen Regelkreises gem. Abb.1:
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Im störungsfreien Idealfall stimmen der Vorgabewert w (z.B. Drehzahlwert eines Motors laut Programm) und der Istwert x (tatsächlich gemessene Drehzahl im Prozess) überein. In einem solchen Fall ist die Regelabweichung e zwischen Soll- und Istwert Null. Die Übereinstimmung von Soll- und Istwert kann aber durch auftretende Störungen z (z.B. Lastschwankungen, Reibung) nicht immer gegeben sein. Jetzt ist es die Aufgabe der Regelung diesen Unterschied durch einen ständigen Vergleich von Führungs- und Regelgröße selbständig zu erkennen und gegebenenfalls auszuregeln, bis der Vorgabewert mit dem Istwert wieder übereinstimmt.
Die Regelung erfordert die kontinuierliche Messung der Istgröße und den Vergleich mit der Sollgröße. Dies geschieht in einem geschlossenen Wirkungsablauf. Man spricht wegen der Kreisstruktur von einem Regelkreis.
In der Praxis kommen ganz unterschiedliche Regelungsstrukturen zum Einsatz. Diese unterscheiden sich vor allem in der Art und Weise, wie für einen betrachteten Regelkreis die Führungsgröße w generiert wird. Dies beeinflusst auch die Reglereinstellung, denn es ist regelungstechnisch ein Unterschied, ob sich in erster Linie die Führungsgröße des Regelkreises ändert oder ob vor allem Störgrößen auszuregeln sind.
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- Das Führungsverhalten wird danach beurteilt, wie schnell und exakt die Regelgröße einen neu vorgegebenen Sollwert erreicht.
- Ein gutes Störungsverhalten ist dadurch gekennzeichnet, dass der Regler beim Auftreten einer Störung den ursprünglichen Gleichgewichtszustand sehr schnell wiederherstellt.
I-/IT1-Strecke im Regelkreis
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Abb.4 zeigt den Einsatz der I-/IT1-Strecke im einschleifigen Regelkreis:
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Die Aktorik umfasst die gesamte Stelleinrichtung mit allen technologischen Einzelheiten. Dies ist besonders dann zu beachten, wenn hier größere Energien umgesetzt werden.
Der Messwandler verarbeitet die Signale des Sensors am Messort. In der Übertragungseinheit ist stellvertretend die gesamte Wandlungskette inklusive aller Übertragungskomponenten (Transmitter) udgl. enthalten.
In erster Linie besteht die Aufgabe des Reglers darin, plötzlich auftretende Störungen so schnell und so genau wie möglich auszuregeln und damit die aufgrund einer Störung entstandene Differenz zwischen Soll- und Istwert zu Null zu machen bzw. zu reduzieren. Allein das Halten eines bereits eingestellten Istwertes erfordert auch eine Regelung. Wie das Regelverhalten aussieht, hängt schließlich von allen Regelkreiskomponenten und deren Zusammenwirken ab.
Wenn alle Regelkreiskomponenten ausgewählt und eingestellt sind und die Regelstrecke in ihrem Wesen (Strecke mit Ausgleich oder ohne Ausgleich) bekannt ist, dann bestimmt der Typus des Reglers mit seinen (im stetigen Fall) drei möglichen Varianten (P, I und D) dieses Regelverhalten.
In der Regelungstechnik wird eine zu regelnde Strecke für den Praktiker in erster Linie durch ihr Zeitverhalten charakterisiert. Dieses bestimmt, mit welchem Aufwand und mit welcher Güte sich eine regelungstechnische Aufgabe lösen lässt. Um dieses Zeitverhalten, die Streckendynamik, darzustellen, verwendet man häufig die Sprungantwort der Regelstrecke.
Die Sprungantwort zeigt anschaulich, in welcher Weise die Regelgröße auf Stellgrößenänderungen reagiert. Dazu wird die Regelgröße nach einer sprunghaften Änderung der Stellgröße (Eingangssprung) gemessen.
Kombination I-Strecke und IT1-Strecke
Die hier beschriebene Karte BIT1S1 ist eine Kombination aus einer I-Strecke und einer IT1-Strecke. Je nach Jumperstellung auf der Karte ist wahlweise eine der bei-den Varianten mit derselben Baugruppe realisiert.
Damit die Vielzahl praxisrelevanter Aufgabenstellungen studiert werden kann, besitzt die Karte eine variabel einstellbare Integrationszeit Ti und im Falle der IT1-Strecke zusätzlich ein variabel einstellbare Zeitkonstante T1.
Allgemeine Eigenschaften der I-Strecken
Das Gegenbeispiel zu Strecken mit Ausgleich ist z.B. ein Wasserbehälter, bei dem oben Wasser zuläuft und am Behälterboden wieder abfließt. Läuft von oben mehr Wasser zu, bildet sich kein neues Gleichgewicht aus, sondern der Wasserspiegel steigt kontinuierlich. (Eine Erhöhung der Auslaufgeschwindigkeit durch den größer werdenden hydrostatischen Druck sei vernachlässigt.) Eine Strecke ohne Ausgleich reagiert somit auf eine Änderung der Stellgröße mit einer immer größer werdenden Änderung des Istwertes.
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Auch der Vorschub einer linearen Verfahreinheit hat integrales Verhalten. Regelgröße ist z.B. die Position (Positionsregelung).
Die Sprungantwort der I-Strecke besitzt einen linearen Anstieg. Die Kurve entspricht dem Flächeninhalt unter der Kurve des Eingangssignals. Das Befüllen eines Behälters mit konstantem Zulauf entspricht diesem Verhalten.
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Der Integrationsbeiwert Ki gibt das Verhältnis von Änderungsgeschwindigkeit der Regelgröße zum Betrag der Stellgröße an. Je größer der Wert ist, desto schneller ist die Reaktion der Regelstrecke auf Stellgrößenänderungen. Aufgrund eines Stellgrößensprungs würde eine reine P-Strecke unverzögert reagieren. Dies entspricht einem unendlichen hohen Wert von Ki, was einer Integrationszeit Ti von null entspräche. Die integrale Wirkung der Strecke wird durch den linearen Anstieg aufgrund einer sprunghaften Änderung der Stellgröße ersichtlich. I-Strecken sind somit gegenüber P-Strecken träge (langsamer).
Die Integrationszeit Ti ist die Zeit, die die Regelgröße x benötigt, um auf das Niveau der Stellgröße y anzusteigen.
Bei gleicher Achseneinteilung und Dimension kann man zur Interpretation des Begriffs als horizontale Hilfslinie die Konstruktion der Abbildung 6 heranziehen. Noch allgemeiner formuliert, d.h. unabhängig von der Form der Stellgröße, gilt für den Ausgang der I-Regelstrecke folgendes Zeitverhalten:
In der Praxis werden reine I-Strecken so nicht vorkommen, da der Ausgang einer reinen I-Strecke theoretisch unendlich lange ansteigen würde. Hier greifen Begrenzungen durch die Regelbereiche und Stellbereiche ein. Auch ein Wassereimer hat integrales Verhalten. Jedoch nur so lange, wie er Wasser aufnimmt, also bis zur Begrenzung.
Allgemeine Eigenschaften der IT1-Strecken
Die Kombination aus I-Strecke und Verzögerung 1. Ordnung, also einer PT1-Strecke nennt man IT1-Strecke. Auch sie kommt in der Praxis durch Hintereinanderschaltung zweier Regelkreiskomponenten mit entsprechendem Verhalten vor.
Die Sprungantwort der IT1-Strecke beginnt mit einer Verzögerung, ähnlich wie beim PT2-Glied, dann setzt sich das integrale Verhalten wie bei der reinen I-Strecke durch.
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Offsetabgleich
Gerade bei empfindlichen Messaufbauten wirkt sich die exakte Kalibrierung eines Reglers sehr vorteilhaft aus. Deshalb besitzt die I-/IT1-Strecke ein Abgleichpotentiometer, mit dessen Hilfe eine exakte Parametereinstellung vorgenommen werden kann.
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Schaltungsanalyse
Für eine Schaltungsanalyse sind dokumentierte Messpunkte auf der Platine vorgesehen.
Schaltungserweiterungen
Darüber hinaus befindet sich auf ihr ein separates Padfeld für anwenderspezifische Schaltungserweiterungen.
Zwei Produktvarianten (A und B)
Damit möglichst viele Anwendungen mit der Karte realisiert werden können, wird sie in zwei Varianten A und B ausgeliefert, d.h. durch die entsprechende Bestückung kann jeweils eine Variante fest aufgebaut werden. Grundsätzlich werden alle Bauteile ausgeliefert, so dass der Anwender entscheiden kann, welche Bestückung in seiner Anwendung die sinnvollste ist. Bei fertig aufgebauten und getesteten Karten wird je nach Bestellung eine Variante werksseitig bestückt und die zusätzlichen Bauteile für die andere Variante beigefügt. Pläne und Stücklisten liegen für beide Varianten bei.
Lage der Bedienelemente auf der Frontplatte
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Datenblatt
Hinweis:
Alle Daten verstehen sich als typische Werte. Abweichungen insbesondere durch Bestückungsänderungen möglich. Änderungen vorbehalten.
Lieferumfang
Die Lieferung erfolgt je nach Best.-Nr. als fertig aufgebaute und getestete Baugruppe (Fertiggerät) bzw. als kompletter Bauteilsatz zu praktischen Lötübungszwecken (Bausatz). Zubehör ist optional und muss extra bestellt werden. Dieses Zubehör gehört nicht zum Lieferumfang.
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