Summierer (BSU1)
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 der Summierer z.B. als Teil des PID-Reglers 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.
Summierer im Regelkreis
Das vorliegende Lehrmittel Summierer des Trainingssystems BASICS ist für den Einsatz im Bereich der Regelungstechnik konzipiert. Das allgemein verwendete Symbol des Summierers zeigt Abb.3:
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Abb.4 zeigt den Einsatz des Summierers 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 Reglertypus dieses Regelverhalten.
Summierer als Bestandteil der PID(T1)-Struktur mit TN und TV
Die Abbildung 4 zeigt die klassische Parallelstruktur des PID(T1)-Reglers. In dieser Parallelschaltung werden die drei Anteile (P, I, D) am Reglerausgang aufsummiert, d.h. überlagert. Die Zeitfunktion des analogen PID-Reglers in dieser Parallelstruktur mit seinen Anteilen lautet dann:
Die Laplace-Transformierte dieser Differentialgleichung für zum bekannten Frequenzgang des PID-Reglers. Dieser Frequenzgang lautet:
Hier zeigt sich auch die Leistungssträrke dieser mathematischen Darstellung. Durch einfache Umfomung ergibt sich die neue Schreibweise des Frequenzganges:
Man erkennt, dass hier zwei neue Zeitkonstanten (Parameter) eingeführt wurden, die Nachstellzeit TN und die Vorhaltezeit TV:
Nachstellzeit
Vorhaltezeit
Aus der zweiten, umgeformten Gleichung für den PID-Regler ergibt sich die neue Struktur, in der ebenfalls der Summierer zum Einsatz kommen kann:
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Summierer und Störgrößenaufschaltung
Neben den aufgeführten Fällen kann der Summierer selbstverständlich in allen anderen Signalwegen des Regelreises, die mit Spannungssignalen arbeiten, zum Einsatz kommen. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Verwendung bei einer Störgrößenaufschaltung. Hier wird dem Stellsignal YR eine bekannte Störung z aufgeschaltet:
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Summierer in der Mess- und Nachrichtentechnik
Neben den regelungstechnischen Aufgabenstellungen ist der Summierer auch in der Messtechnik vielseitig einsetzbar. So eignet er sich z.B. für die Addition beliebiger Signalverläufe, solange die Spannungspegel im Arbeitsbereich liegen. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen hierzu ein paar Einsatzfälle:
Abbildung 7 deutet an, dass sich die Überlagerung dreier beliebiger Spannungssignale an den Eingängen I1 bis I3 am Ausgang O des Summierers abgreifen lässt.
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Für den in Abbildung 7 dargestellten allgemeinen Fall kann der spezielle Fall einer Gleichspannungsaddition
(DC-Offset) sehr einfach wie folgt realisiert werden:
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Neben den gezeigten Varianten ist z.B. auch so sehr einfach die Amplitudenmodulation mit dem Summierer realisierbar.
Offsetabgleich
Gerade bei empfindlichen Messaufbauten wirkt sich die exakte Kalibrierung eines Summierers sehr vorteilhaft aus. Deshalb besitzt der Summierer ein Abgleichpotentiometer, mit dessen Hilfe eine exakter DC-Abgleich 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.
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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