PT1-/PT2-Strecke (BPT12S1)
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 PT1-/PT2-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.
PT1-/PT2-Strecke im Regelkreis
Das vorliegende Lehrmittel PT1-/PT2-Strecke des Trainingssystems BASICS ist für den Einsatz im Bereich der Regelungstechnik konzipiert. Die allgemein verwendeten Symbole der Streckenkombination zeigt Abb.3:
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Abb.4 zeigt den Einsatz der PT1-/PT2-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 PT1-Strecke und PT2-Strecke
Die hier beschriebene Karte BPT12S1 ist eine Kombination aus einer PT1-Strecke und einer PT2-Strecke. Je nach Jumperstellung auf der Karte ist wahlweise eine der beiden Varianten mit derselben Baugruppe realisiert.
Damit die Vielzahl praxisrelevanter Aufgabenstellungen studiert werden kann, besitzen die beiden Streckenvarianten variabel einstellbare Zeitkonstanten T1 und variabel einstellbare Verstärkungsfaktoren KS.
Allgemeine Eigenschaften der PT1-Strecken
Die PT1-Strecke wird auch als Verzögerungsglied 1. Ordnung bezeichnet. Das bedeutet, dass das die Sprungantwort steil ansteigt und einem stationären Endwert entgegen strebt (Strecke mit Ausgleich), wobei die Steigung immer kleiner wird. Das typische Beispiel hierfür ist das Feder-Masse-System.
Man denke beispielsweise an einen Kondensator, der über einen Widerstand aufgeladen wird und dessen Spannung sich zunächst rasch und dann immer langsamer einem Endwert nähert. Der hier beschriebene Ladevorgang ist ebenfalls 1. Ordnung. Der Kondensator stellt dabei den Energiespeicher dar. Die Energie wird hier im elektrischen Feld gespeichert.
Vertreter Strecken 1. Ordnung können auch sein:
- Strecken bei Drehzahlregelungen
- Druck- und Durchflussregelungen in Gasrohrnetzen
- Temperaturregelungen in Gemischen
- Flüssigkeitsregelungen bei Eingriff im Abfluss
- Aufbau eines Magnetfeldes
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Nach Erreichen der Systemzeitkonstante T1 sind ca. 63% des stationären Endwertes erreicht. Dies gilt für alle Systeme 1. Ordnung. Der zugehörige Funktionsverlauf ergibt sich aus:
Der Beharrungszustand bei dieser Strecke mit Ausgleich ist der gleich wie bei der reinen P-Strecke. Der sich einstellende stationäre Wert kann also auf die gleiche Weise bestimmt werden, wie beim reinen P-Verhalten:
Unter Hinzunahme der Proportionalbeiwertes KS ergibt sich das zeitliche Ansprechverhalten korrekterweise zu:
Für sehr große Zeiten (>5T1) wird der Klammerausdruck zu 1 und der stationäre Endwert ist erreicht.
Allgemeine Eigenschaften der PT2-Strecken
Eine Strecke mit zwei Energiespeichern (2. Ordnung) beginnt im Gegensatz zur PT1-Strecke nicht unmittelbar mit einem steilen Anstieg der Systemantwort x(t) auf einen Sprung des Stellgröße y. Die Sprungantwort verläuft zunächst waagerecht, um dann leicht anzusteigen, erreicht ihren stärksten Anstieg in der Wendestelle und strebt danach wieder mit abnehmender Steigung dem stationären Endwert zu.
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Das klassisches Beispiel ist ein Ofen, bei dem nach einer Erhöhung der Heizleistung die Temperatur solange steigt, bis sich eine neue Gleichgewichtstemperatur einstellt, bei der die abgegebene Wärmemenge wieder gleich der aufgenommenen Wärmemenge ist.
Bei einer plötzlichen Änderung der Heizleistung muss die Energie zunächst den Heizstab, das Ofenmaterial usw. erwärmen, bis am Fühler im Ofen eine Temperaturänderung festgestellt werden kann. Die Temperatur steigt also zunächst langsam an, bis die Temperaturstörung sich ausgebreitet hat und ein konstanter Energiefluss stattfindet. Dann steigt sie kontinuierlich. Da sich aber mit der Zeit die Temperatur des Heizstabes und des Fühlers immer mehr annähern, wird der Temperaturzuwachs schließlich langsamer und strebt seinem Endwert zu.
Weiter Beispiele für Systeme 2. Ordnung:
- Temperaturregelungen, Druck- und Durchflussregelungen mit Vorratsbehältern
- Reihenschaltung zweier beliebiger Systeme 2.Ordnung (z.B. RC-Kombinationen)
Charakterisierung der Regelstrecke durch Verzugs- und Ausgleichszeit
Die Sprungantwort einer verzögerten Regelstrecke zweiter oder höherer Ordnung wird in der Praxis durch zwei Zeiten charakterisiert: Die Verzugszeit Tu und die Ausgleichszeit Tg.
Ihre Kenntnis lässt zum einen eine schnelle Einschätzung der Regelbarkeit der Strecke zu, zum anderen ermöglichen sie ein einfaches Ermitteln der Regelparameter.
Die genaue Ordnung der Regelstrecke geht in diese Betrachtungsweise nicht mehr ein. Der praxisrelevante Hintergrund ist der, dass jede verzögerte Strecke höherer Ordnung aus einer Art „Ersatztotzeit“ Tu und einer Strecke erster Ordnung mit der Zeitkonstanten Tg, zusammengesetzt angenommen wird.
Die Verzugs- und Ausgleichszeit der Strecke geben eine ersten Hinweis auf die Regelbarkeit der verzögernden Strecke:
Je kleiner das Verhältnis der Ausgleichszeit Tg zur Verzugszeit Tu ist, desto später bekommt der Regler Mitteilung von der Wirkung einer Stellgradänderung. Daher nimmt die Regelbarkeit immer mehr ab.
Offsetabgleich
Gerade bei empfindlichen Messaufbauten wirkt sich die exakte Kalibrierung eines Reglers sehr vorteilhaft aus. Deshalb besitzt der PT1-/PT2-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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