Zweipunkt-Regler (B2PR1)
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 Zweipunkt-Regler 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.
Zweipunkt-Regler im Regelkreis
Das vorliegende Lehrmittel Zweipunkt-Regler des Trainingssystems BASICS ist für den Einsatz im Bereich der Regelungstechnik konzipiert. Das allgemein verwendete Symbol des Zweipunkt, sein Übertragungsverhalten (Kennlinie), zeigt Abb.3:
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Abb.4 zeigt den Einsatz des Zweipunkt-Reglers 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.
Der Anwender hat dann die Aufgabe, die „optimale“ Einstellung durch Wahl geeigneter Werte für die Regelparameter (hier XH und YH) herauszufinden.
Einsatzgebiete
Zweipunktregler werden z.B. zur Ansteuerung von Relais, Schützen und Magnetventilen verwendet. Sie übernehmen vor allem im Bereich der Verfahrenstechnik sowie bei „langsamen" MSR-Prozessen aufgrund ihrer problemlosen Handhabung nach wie vor einen großen Teil der Regelaufgaben und haben daher eine elementare Bedeutung für die Ausbildung.
Einfache Zweipunktregelungen werden in zahlreichen Haushaltsgeräten, z.B. in Kühlschränken, Durchlauferhitzern, Automatik-Herdplatten, Backöfen und Bügeleisen zur Temperaturregelung eingesetzt. Zweipunktregler werden jedoch auch in komplexeren Systemen, z.B. der Kesseltemperatur-Regelung einer Heizungsanlage, eingesetzt. Prinzipiell eignet sich der Zweipunktregler besonders zur Regelung von Strecken mit großen Zeitkonstanten, wie sie vor allem bei Temperatur-, Druck- und Feuchteregelungen auftreten können.
Der Zweipunktregler ist im Gegensatz zum PID-Regler ein unstetiger oder auch schaltender Regler. Im Gegensatz zu stetigen Reglern kennt der Zweipunktregler daher nur die beiden Schaltstellungen „Ein“ und „Aus“ bzw. „High“ und „Low“ usw.. Im einfachsten Fall kann die Stellgröße entweder den Wert 0 % oder 100 % annehmen, im allgemeinsten Fall sind es die zwei unterschiedliche Ausgangszustände ymax und ymin. Der Zweipunktregler kennt also nur zwei Zustände, die sich z.B. mit „Ein“ für ymax und „Aus“ für ymin beschreiben lassen.
Wie gesagt kann bei unstetigen oder auch schaltenden Reglern das Ausgangssignal nur bestimmte (abzählbar viele) Werte annehmen. Eine Regelung auf Basis eines unstetigen Reglers, wie z.B. einem Zweipunktregler, ändert daher nur die Einschaltdauer der Stellgröße. Ein Beispiel hierfür ist der Bimetallschalter eines Bügeleisens. Wird die eingestellte Temperatur (Sollwert) erreicht, so schaltet der Bimetallschalter die Heizung z.B. aus. Unterschreitet die Temperatur den Sollwert, so wird die Heizung wieder eingeschaltet.
Schaltverhalten
Zwischen den beiden Schaltschwellen OTP (Oberer Trigger Punkt) und UTP (Unterer Trigger Punkt) besteht eine sog. Hysterese. Man könnte die Hysterese auch zu Null machen, d.h. nur einen Schwellwert auslegen. Dies führt in der Praxis aber häufig zum "Flattern" (dauerndes Ein- und Ausschalten der Energiezufuhr) und damit zum Verschleiß des Stellausgangs, da gerade im Übergangspunkt kleinste Schwankungen zum Kippen des Stellausgangs führen.
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Zweipunktregler können entsprechend ihrer Regelaufgabe sehr unterschiedliche Kennlinien aufweisen. Allen gemeinsam ist jedoch ihr charakteristisches Verhalten, nur zwei diskrete Stellwerte ymax und ymin zu kennen. Abbildung 5 und 6 zeigen das Schaltverhalten zweier unterschiedlicher Zweipunkt-Regler. Diese arbeiten zueinander invertierend.
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Offsetabgleich
Gerade bei empfindlichen Messaufbauten wirkt sich die exakte Kalibrierung eines Reglers sehr vorteilhaft aus. Deshalb besitzt der Zweipunkt-Regler 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.
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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