Vorlesung Regelungstechnik 1 Einfhrungsvorlesung RT 1 im Fachbereich

Vorlesung Regelungstechnik 1 Einführungsvorlesung RT 1 im Fachbereich Elektrotechnik, SFT und für DFHI-Studierende 21. Oktober 2002 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes Fachbereich Elektrotechnik Goebenstr. 40 66117 Saarbrücken Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 1 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Arbeitsmarktsituation für Jungingenieure „Während Ingenieure über 45 Jahre zur Zeit häufig arbeitslos sind, werden die jungen Kräfte sehr intensiv gesucht. Trotz des allseits beklagten Mangels an jungen Ingenieuren ist aber nicht zu beobachten, dass die Unternehmen von ihren hohen Anforderungen abrücken. Wichtig sind ihnen nach wie vor eine kurze Studienzeit, hervorragende Abschlussnoten, praktische Erfahrungen, gute Fremdsprachenkenntnisse sowie fundierte Softwarekenntnisse. Auch an die Persönlichkeit der Kandidaten werden hohe Erwartungen gestellt. Die Arbeitsmarktperspektiven für junge Ingenieure dürften auf mittlere Sicht recht positiv sein, weil sich aufgrund der kritischen Zeiten in den 90 er Jahren immer weniger Abiturienten für ein Studium der Ingenieurwissenschaften entschieden hatten. Die Zahl der Studienanfänger in den technischen Disziplinen sank innerhalb von sieben Jahren um fast die Hälfte, und zwar von 80. 000 im Jahr 1990 auf rund 44. 000 im Jahr 1997. Das Interesse der Studienberechtigten am Ingenieurstudium ist jüngst zwar wieder angestiegen, aber nur geringfügig. Junge deutsche Ingenieure werden sich in den nächsten Jahren wenig Konkurrenz untereinander machen“. Quelle: www. arbeitsamt. de 14. 10. 2002 Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 2 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

VDI-Studie: Ingenieurbedarf nach 2000 Quelle: vdi Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 3 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Umsatz und Beschäftigung Zahlen nach ZVEI Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 4 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Auftragseingang ZVEI Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 5 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Kennzahlen zur Elektrokonjunktur Deutschland - ZVEI Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 6 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Wissenswertes zum Berufsbild Elektroingenieur Quelle: vde / Fh-fulda Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 7 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Wissenswertes zum Berufsbild Elektroingenieur Innovationstempo in der Elektrotechnik: • • Jährlicher Preisverfall: 10 % Produktivitätssteigerung: 7 %/Jahr Innovationszyklen: 4. . . 5 Jahre Halbwertszeit des Ingenieurwissens: 6 Jahre • Führungskräfte übernehmen alle 5 -8 Jahre neue Aufgaben • Siemens macht 75% des Umsatzes mit Produkten, die maximal 5 Jahre alt sind Quelle: vde / Fh-fulda Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 8 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Anforderungsprofil an Jung. Neuingenieure • Flexibilität • Solides Grundlagenwissen Mathematik, Physik, Grundlagen der Elektrotechnik, Informatik • Fachübergreifende Qualifikation Präsentationstechniken, Fremdsprachen, Recht, Sozialwissenschaft, Technik/Gesellschaft/Umwelt • Systemdenken • Ganzheitliche Behandlung des gesamten Produkt-Lebenszyklus: Kundenwünsche, Planung, Bau, Diagnose, Dokumentation, Entsorgung • Denken von der Komponente über das Gesamtsystem bis hin zu dessen Auswirkungen • Soziale Kompetenz • Kommunikations- und Kritikfähigkeit • Kooperatives Sozialverhalten (Arbeiten im Team) • Urteilskraft hinsichtlich der kulturellen und sozialen Implikationen der Quelle: vde / Fh-fulda Ingenieursarbeit Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 9 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Anforderungsprofil an Jung. Neuingenieure • Kreativität, insbesondere die Fähigkeiten • zur Selbstorganisation • zur Schaffung und Nutzung von Freiräumen für Neues • zum offenen Umgang mit Fehlern (aus Fehlernen) • zum Aneignen und Übertreffen von Vorbildern (Musterbeispiel: die Industrialisierung Preußens) • Kenntnisse und Fähigkeiten in • Softwaretechnik Software ist wesentlicher Bestandteil automatisierungs- und informationstechnischer Systeme. Etwa 50 % der Elektroingenieure sind mit der Erstellung von Software beschäftigt. 30 % der jüngeren Elektroingenieure verbringen über 50 % der Arbeitszeit am Rechner. • Simulationstechnik Trend zur umfassenden Simulation des Gesamtsystems vor Prototypbau • Wirtschaftswissenschaften 30 % berufstätiger Ingenieure sind in wirtschaftliche Fragen involviert Quelle: vde / Fh-fulda Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 10 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Karrieretipps Kontaktadressen Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 11 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Perspektiven ET-Studium Berufschancen für Jung-Ingenieure / Absolventen: Ø Siemens Schätzung Ø Schätzung Arbeitsamt Deutschland Ø Prognose Kriterien für Ihre Karriereplanung: Ø Studiendauer / Abschlussnote Ø Beruflicher Werdegang (Ausbildung, Hiwi-Tätigkeit, Jobs) Ø Erscheinungsbild Ø Motivation Ø Flexibilität / Mobilität Ø Persönlichkeit (Zielstrebigkeit, Darstellung/Präsentation, Sicherheit, Fremdsprachenkenntnisse) Motivation im Studium: Kurze Studiendauer / Guter Abschluß Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 12 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Kurzinfo / Vorlesungen / Labor Grundlagenvorlesung: Ø Digitaltechnik (4 h) (1. Semester) Vorlesungen Vertiefungsrichtungen: Ø Systemtheorie (4 h) Ø Regelungstechnik II (6 h) Ø Prozessanalyse (-identifikation) (2 h) Ø Prozessautomatisierung (4 h) (4. Semester) (5. Semester) (6. Semester) (5. /6. Semester) Labor Ø Prozessautomatisierung (4 h) (6. Semester) Studien-/ Diplomarbeiten / Praxissemester Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 13 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Organisation Vorlesung/Vorlesung Organisation der Vorlesung / Übung: Ø Vorlesung jeweils 2 -stündig, dienstags Ø Übungen jeweils 2 -stündig, dienstags Ø 2 Termine zur Klausurvorbereitung (Ende Semester) Skript / Vorlesungsunterlagen Ø Skript in Arbeit (Verteilung per Mail) (? ) Ø Vorlesungsvorlagen / Regelung Kopien Klausur/Prüfung (? ) Ø Semesterferien März/April 2004 Ø Terminabstimmung (heute) Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 14 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Angebot zur Exkursion SPS/IPC/DRIVES Nürnberg Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 15 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

DFHI-Studenten: Labortermine Wintersemester 2003/2004 Labor Automatisierungstechnik, Prof. Dr. Dietmar Brück • Beginn Labor Donnerstag, 23. 10. 2003, 14. 00 Uhr Ansprechpartner: Dipl. -Ing. Peter Weinmann Raum 8112 Termine Oktober bis Ende Dezember 2003 Labor Prozessautomatisierung, Prof. Dr. Benedikt Faupel • Beginn Labor Donnerstag, 08. 01. 2004, 14. 00 Uhr Ansprechpartner: Prof. Benedikt Faupel Raum 7007 Termine Januar bis Ende Februar 2004 Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 16 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Klausur Systemtheorie Sommersemester 2003 Fachbereich E • Zahlen Systemtheorie 59 Anmeldungen 20 Teilnehmer (33 %) Fachbereich SFT • Zahlen SFT 17 Anmeldungen 3 Teilnehmer (17 %) • Zahlen Einführung in Automatisierungstechnik 7 Anmeldungen 3 Teilnehmer (50 %) Noten SFT 1 x 1 1 x 4 1 x 5 Noten Systemtheorie 6 x 1 3 x 2 7 x 3 4 x 4 Noten Einführung in die Automati. . . 1 x 3 1 x 4 1 x 5 Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 17 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Klausur Systemtheorie Aufgabe 1 Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 18 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Klausur Systemtheorie Aufgabe 2 Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 19 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Klausur Systemtheorie Aufgabe 3 Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 20 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Klausur Systemtheorie Aufgabe 4 Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 21 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Klausur Systemtheorie Aufgabe 5 Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 22 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Einführungsaspekte zur Regelungstechnik: Ø Was verstehen wir unter Regelungstechnik? Ø Wo liegen Unterschiede zur Steuerungstechnik? Ø Worauf bauen wir in der Regelungstechnik I auf? Ø Wie ist die Disziplin Regelungstechnik in Ihr Studium einzuordnen? Ø Welche Bedeutung hat die Regelungstechnik in der Praxis? Ø Welche Themen behandeln wir in Vorlesung / Übung? Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 23 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Begriffe und Definitionen Was verstehen wir unter Regelungstechnik? Um in einem technischen Prozess eine physikalische Größe auf einen Gewünschten Wert zu halten, kann die Größe entweder gesteuert oder geregelt werden. Steuerung: Ø Offener Wirkungsablauf Ø Keine Überprüfung des aktuellen Wertes Ø Nicht Erkennen von Störungen Ø Prozesseinstellungen sind änderbar (über Zeit, über manuellen Eingriff, aber nicht aufgrund von Störungen oder Änderungen der physikalischen „Regelgröße“) Ø Klassische Beispiel Temperatursteuerung in Räumen Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 24 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Beispiele für Steuerung Klassische Temperatursteuerung für Zimmerbeheizung (Unbehauen) Manuelle Steuerung Prozessdruck in einer Produktionsanlage (Samson) Quellen: Unbehauen, Samson Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 25 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Beispiel für Steuerung Einstellung der Warmwassertemperatur Dusche (Tröster): Quelle: Tröster Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 26 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Regelungstechnik Bei Steuerungsvorgängen werden Änderungen im Prozess durch den Eingriff des Menschen bewirkt. Diese Aufgabe des gezielten Prozesseingriffs bei Störungen oder Sollwertänderungen ist ein Regelungsvorgang. Kennzeichen einer Regelung: ØGeschlossener Wirkungskreis ØFortlaufende Erfassung (Messung, Auswertung) der Regelgröße ØErkennen und Ausregeln von Störungen ØSelbstausführende Prozessänderungen Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 27 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Beispiele für Regelung Temperaturregelung für Raumbeheizung (Unbehauen) Manuelle Regelung Prozessdruck in einer Produktionsanlage (Samson) Quellen: Unbehauen, Samson Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 28 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Beispiel für Regelung der Warmwassertemperatur Dusche (Tröster): Quelle: Tröster Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 29 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Steuerung vs. Regelung Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 30 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Normen und Richtlinien Steuerungs- & Regelungstechnik Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 31 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Begriffe - deutsch Definition der Regelung: DIN 19226 „Das Regeln, die Regelung, ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine Größe, die Regelgröße ( zu regelnde Größe), erfasst, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Kennzeichen für das Regeln ist der Geschlossene Wirkungsablauf, bei dem die Regelngröße im Wirkungsweg Des Regelkreises fortlaufend sich selbst beeinflusst. “ Als fortlaufend gilt auch ein hinreichend häufige Wiederholung von Einzelvorgängen, z. B. zyklische Erfassung und Regeln bei digitalen Regelungen. Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 32 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Begriffe- englisch Englische Übersetzung: (to) control = regeln, steuern Hinweis: Die Bedeutung, ob steuern oder regeln gemeint ist, ist aus dem Gesamtkontext zu entnehmen. Daher wird auch in Übersetzung nicht immer deutlich, ob ein Regel- oder Steuerungsvorgang beschrieben. sind beide Vorgänge gemeint, dann übersetzt man control auch häufig mit automatisieren oder leiten. Eine präzise Unterscheidung ist dann möglich, wenn Regelung mit closed loop control übersetzt wird. Automatisierungstechnik / Leittechnik sind übergeordnete Disziplinen, in denen die Regelungstechnik einen zentralen Beitrag leistet. Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 33 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Ziele und Einordnung der RT in die Automatisierungstechnik Ziele: ØBeherrschung von Aufgaben, die für den Menschen schwierig durch zuführen sind. ØProduktivitätssteigerung mit Sicherstellung ØErhöhung der Verfügbarkeits- und Zuverlässigkeit von Maschinen und Anlagen ØErhöhung Lebensqualität Regelungstechnik: • Zentrale Disziplin in der Automatisierungs- und Leittechnik • Nur mit Methoden der Regelungstechnik lassen sich automatisiert ablaufende Prozesse sich selbst kontrollieren, Störungen beseitigen, Prozessinformationen rückkoppeln, Prozesse beherrschen. Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 34 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Einsatz regelungstechnischer Methoden in anderen Bereichen Regelungstechnische Methoden und Werkzeuge finden Anwendung auch für Fragestellungen / Problemstellungen aus den Bereichen: • Wirtschaft • Biologie / Chemie • Agrarwirtschaft • Ökologie • Produktionstechnik / Qualitätsmanagement Zitate: „Regelungstechnik ist die Lehre“ - (Wissenschaft) – „von der gezielten Beeinflussung dynamischer Prozesse während des Prozessablaufs, unabhängig von der besonderen Natur des Prozesses und von der Anwendung der hierbei entwickelten Methoden zur Systembeschreibung und –untersuchung. “ (Zitat Föllinger) Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 35 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Einordnung der Regelungstechnik in die Automatisierungstechnik Quelle: Tröster Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 36 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Schnittstellen in den Prozess Regelungs- / Steuerungstechnik RT benötigt Messtechnik („fortlaufende Erfassung. . . “) ST benötigt keine Messtechnik („keine fortlaufende Erfassung. . . “) Prozessgrößen werden höchstens für Visualisierungszwecke gemessen und angezeigt. Quelle: Tröster Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 37 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Schnittstellen in den Prozess Regelungs- / Steuerungstechnik RT benötigt Stell- und Korrektureinrichtung („angleichen“) Regelung passt die Stellgröße kontinuierlich an. ST benötigt Stelleinrichtungen („vorgeben“ , „nicht angleichen“) Feste Einstellung der Stellgeräte. Durch Steuerungsvorgang werden Stellgrößen (Stellgeräte) ein- und ausgeschaltet. Quelle: Tröster Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 38 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Einführung des Regelkreises w e x Regeln GR(s) z Regelstrecke y GS(s) x Messen GM(s) = 1 Übertragungsverhalten der Regel. Einrichtung unbekannt: • PID-Regler • PI-Regler • PD-Regler Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Übertragungsverhalten der Regel. Strecken ist bekannt: • PT 1 bis PTn-Glieder • PT 2 S (schwingfähige Systeme) • IT 1 Glieder • DT 1 Glieder Blatt 1. 39 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Genauere Aufgliederung der Regelkreiselemente Elemente des Regelkreises: Regeleinrichtung + Regelstrecke + Messeinrichtung = Regelkreis Regler und Steller Stellglied z. B. Pumpe, Rohrleitung Temperatur-, Druckaufnehmer Elemente der Stelleinrichtung Steller (Teil der Regeleinrichtung) + Stellglied (Teil der Strecke) = Stelleinrichtung Stellantrieb Drosselkörper Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 40 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Schnittstelle Regeleinrichtung / Regelstrecke Die Stelleinrichtung besteht aus einem Steller (Stellantrieb) und Stellglied. Sie verbindet den Reglerausgang mit dem Eingang der Regelstrecke. Diese Unterscheidung ergibt sich unmittelbar aus der Aufgabenverteilung: während der Steller das Reglerausgangssignal aufbereitet und verstärkt, greift das Stellglied – als Teil der zu regelnden Strecke – in den Masse- oder Energiestrom ein. Quelle: Samson Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 41 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Regelkreis mit Definition der relevanten Größen Es bestehen Interpretationsunterschiede, ob die Stelleinrichtungen zur Strecke oder zum Regler gezählt werden. Die vorseitige Definition mit Trennung der Stelleinrichtung (Steller zur Regeleinrichtung, Stellglied zur erweiterten Regelstrecke) ist eindeutiger, da sie den physikalischen Gegebenheiten entspricht. Quelle: Tröster Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 42 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Definition / Abkürzung regelungstechnischer Kenngrößen Normung nach DIN oder IEC: Eine verkürzte Schreibweise ist hier definiert. Die im deutschen Sprachraum verwendeten Zeichen der DIN 19221 entsprechen den internationalen Ausweiszeichen, welche die IEC 27 -2 A zulässt. Abweichend legt die IEC sogenannte Hauptzeichen (chief symbols) fest, die sich teilweise von der gängigen DIN-Bezeichnung unterscheiden. Regelgröße, Istwert x (DIN) (IEC-Hauptzeichen: y) In einem Regelkreis wird diejenige Prozessgröße mit x bezeichnet, deren Zustand geregelt werden soll. In der Verfahrenstechnik ist dies zumeist ein physikalischer (z. B. Temperatur, Druck, Durchfluss) oder chemischer Zustand (p. H-Wert, Härte, usw. ). Führungsgröße, Sollwert w (DIN) (IEC-Hauptzeichen: w) Diese Größe gibt den Wert vor, den die zu regelnde Prozessgröße einnehmen und halten soll (Sollwert, set point). Ihr Physikalischer Wert – meist in Form einer elektrischen Größe – wird im geschlossenen Regelkreis mit der Regelgröße X verglichen. Rückführungsgröße r (DIN) (IEC-Hauptzeichen: f) Die aus der Messung der Regelgröße hervorgegangene Größe, die zum Reglereingang auf das Vergleichsglied zurückgeführt wird. Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 43 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Definition / Abkürzung regelungstechnischer Kenngrößen Regeldifferenz e = w-x e (DIN) (IEC-Hauptzeichen: e) Die Eingangsgröße e des Reglergliedes, ist die vom Vergleichsglied errechnete Differenz aus Führungs- und Regelgröße. Wird die Wirkung der Messeinrichtung mit berücksichtigt, muss mit e = w-r gerechnet werden. Regelabweichung xw = x- w Die Definition zeigt, dass die Regelabweichung denselben Betrag hat wie die Regeldifferenz e, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen. Wird die Messeinrichtung mit einbezogen, so gilt: xw = r-w. Stellgröße y (DIN) (IEC-Hauptzeichen: m) Die Stellgröße ist die Ausgangsgröße der Regeleinrichtung und Eingangsgröße der Regelstrecke. Sie wird vom Regler bzw. – bei Verwendung eines Stellers - vom Steller generiert. Sie ist abhängig von der Einstellung der Regelparameter und vom Wert der Regelabweichung. Reglerausgangsgröße yr Wird die Regeleinrichtung in Regler und Steller aufgeteilt, dann bezeichnet yr die Ausgangsgröße des Reglers bzw. die Eingangsgröße des Stellers. Störgröße z (DIN) (IEC-Hauptzeichen: v) Störgrößen wirken auf den Regelkreis und beeinflussen die Regelgröße. Aufgabe der Regelung ist deren Kompensation. Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 44 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Beispiele zur Regelkreisdarstellung in der Fachliteratur Unbehauen Tröster Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 45 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Unterschiede in Regelungsaufgaben Festwert- oder Störgrößenregelung • Vorgabe einer konstanten nicht veränderlichen Führungsgröße • Regelungsaufgabe Einstellen und Halten der Regelgröße auf dem vorgegebenen Sollwert Zeitplanregelung (Programmregelung) • Vorgabe verschiedener Sollwerte, die nach einem Rezept prozessbedingt eingestellt werden. • Regelungsaufgabe Einstellen und Halten der jeweiligen Regelgröße auf die sich ändernden Sollwerte Folge- oder Nachlaufregelung • Fortlaufende Änderung des Sollwertes • Regelungsaufgabe optimales Nachfolgen der Regelgröße an den Sollwert Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 46 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Unterschiede in Regelungsaufgaben Zeitplanregelung Wärmebehandlungsprogramm mit Stütz. Stellen zur Sollwertvorgabe (Rampe) Folge-/Nachlaufregelung Kopie eines Werkstücks mit parallel ge Führter Bearbeitung Folge-/Nachlaufregelung Abstandsregelung folgt dem Verkehrsfluss Quelle: Tröster Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 47 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Typische Anwendungsbeispiele für Regelungsaufgaben Anwendungen: • Spannungsregelung (ET) • Kursregelung (Navigation) • Füllstandsregelung (VFT) • Temperaturregelung (VFT) Quelle: Unbehauen Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 48 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

ESP Fahrzeugregelung – Einsatzbeispiel moderner RT Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) • Erfassung von Querbeschleunigungen und Giergeschwindigkeiten • Stellgröße/Reaktion ist gezieltes Bremsen einzelner Räder • Regelgröße Spurhalten/Stabiler Fahrzustand Quelle: Tröster Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 49 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

ESP Fahrzeugregelung Quelle: Tröster Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 50 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Grundlagen & Voraussetzungen zur Regelungstechnik-Vorlesung Grundlagen & Voraussetzungen: • Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik • Systemtheorie mit Kenntnis mathematischer Methoden zur Beschreibung des Verhaltens von Systemen im Zeit und Frequenzbereich (DGL, G(s), PN, Bodediagramme, Sprung- und Stoßantwort) • Kenntnis elementarer Übertragungsglieder (Regelstrecken nach P, PT 1, PT 2, PTn-Gliedern, I-Glieder / Regler nach P, PID, PD-Gliedern) • Kenntnis der Übertragungsverhaltens geschlossener rückgekoppelter Systeme (Führungs- und Störgrößenverhalten) • Stabilität von Regelkreisen (Hurwitz, Routh, NYQUIST-Kriterien) • Statisches Verhalten von Regelkreisen (Grenzwertsätze der Laplace-Transformation t ->0/ <-> s -> /0) Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 51 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Einordnung Regelungstechnik im Studium und Praxis Aspekte: • Pflichtfach für Studenten der Vertiefungsrichtung Automatisierungstechnik / Energietechnik • Voraussetzung für das Labor Prozessautomatisierung (Brück / Faupel) • Zentrale Bedeutung / Einfluss für weiterführende übergeordnete Disziplinen (PLT, Automatisierungstechnik) Berufliche Spektrum: • Projektingenieur / Projektleiter für Applikationen im Anlagen- und Maschinenbau • Schnittstellen zu Marktsegmente SPS/PLC, Leittechnik, MSRTechnik, Messtechnik, Gerätetechnik, Analysetechnik, etc. Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 52 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Themen Vorlesung RT I Grundlagen der Systemtheorie (3 Termine) Zusammenfassung basierend auf der Vorlesung der Systemtheorie mit Beschreibung elementarer Übertragungsglieder im Zeit- und Frequenzbereich / Stabilität von Regel. Kreisen / Führungs- und Störgrößenverhalten / Arbeiten im Bodediagramm / Kenngrößen Amplituden- und Phasenreserve / Blockschaltbilder & Wirkungspläne / Übertragungsfunktionen / Stetige Regler im Zeit- und Frequenzbereich / Systeme 2. Ordnung Entwurf und Auswahl von Reglern nach Zeit- und Frequenzkennlinien. Verfahren (3 Termine) – Einstellung nach praktischen Einstellregeln Verhalten von Regelkreisen bei Variation von Parametern (PN, G(s), Bode, Sprungantwort) / Grundlegendes für den Reglerentwurf / Einstellregeln nach ZIEGLER und NICHOLS; CHIEN, HRONES und RESWICK / T-Summen-Regel / Einstellung nach Betragsoptimum und symmetrisches Optimum / Störgrößenaufschaltung / Überlagerung und Kaskadierung von Regelkreisen / Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 53 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Themen Vorlesung RT I Elektronischer Regler Aufbau von OP-Schaltungen zur Nachbildung von Regelstrecken und Reglern / Arbeits. Weise und Funktionen / Beispielanwendungen / Berechnungen und Auslegung / Grund. Schaltungen Weiterführende Regelungsstrategien Entwurf von Regelkreisen mit instabilen Strecken, Vermaschte Regelkreise (Störgrößenaufschaltung, Kaskadenregelung, Begrenzungsregelung), MIMO-Systeme, Gleichungssysteme / Lösungen für MIMO-Systeme. Unstetige Regler / Nicht lineare Regler Definition / Unterschiede stetiger/unstetige Regler / Zweipunkt- und Dreipunktregler / Zeitverhalten / Auslegung und Parametrierung / Realisierung von quasi-stetigen Reglern mit unstetigen Reglern / Anwendungsbeispiele und technische Realisierungen. Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 54 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Themen Vorlesung RT I Einführung in Matlab/Simulink (Patt) Grundlagen / Einsatzmöglichkeiten von Softwaretools in der Regelungstechnik / Grundfunktionalitäten / Anwendungsbeispiele / Systemverhalten im Zeit- und Frequenzbereich Auslegung und Überprüfung von Reglern Applikationsbeispiele in der Vorlesung Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 55 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Historischer Überblick der Regelungstechnik zählt zu den sehr frühen Disziplinen der Ingenieur. Wissenschaften. • 1788 Watt: Drehzahlregelung Regulator für Drehzahlkonstanthaltung eines Dampfantriebes • • 1868 1877 1886 1890 1895 1902 1905 1932 Maxwell: Theorie Drehzahlregelung Routh: Stabilitätsuntersuchung bei Wasserturbinen Siemens: Spannungsregler Liapunow: Nichtlineare Stabilität Hurwitz: Algebraisches Stabilitätskriterium Tirrill: Zweipunktregler Tolle: Erstes Lehrbuch zur Regelungstechnik Nyquist: Graphisches Stabilitätskriterium Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 56 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Quelle: Unbehauen Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 57 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Historischer Überblick der Regelungstechnik Zeitlicher Abriss: • 1938 Bode: Frequenzganguntersuchungen • 1942 Ziegler&Nichols: Einstellungsvorschriften für stabile Regelkreise • 1942 Oldenbourg&Sartorius: Erstes umfassendes Lehrbuch zur Regelungstechnik • 1948 Evans: Wurzelortskurven-Verfahren • Ab 1950 Automatisierungsgeräten von Maschinen Einsatzin und Anlagen (Steuerungs- und Kontrollfunktionen) Steuerungsund • Abvon Übernahme 1970 mit. SPS/PLC aufgaben • Heute Ganzheitliche Automatisierungskonzepte / Datendurchgängigkeit über Feld-, Steuerungs- und Leiteben Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 58 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Literatur Regelungstechnik Literaturliste: • Lutz, H. ; Wendt, W. : Taschenbuch der Regelungstechnik, Verlag Harri Deutsch, Frankfurt, 1998 ISBN 3 -8171 -1552 -0 (Bibliothek HTW) • Unbehauen, H. : Regelungstechnik I, Vieweg-Verlag, Braunschweig, 2001, ISBN 3 -528 -01332 -X • Jaschek, H. ; Schwinn, W. : Übungsaufgaben zum Grundkurs der Regelungstechnik, Oldenbourg-Verlag, München, ISBN 3 -486 -22546 -4 (Bibliothek HTW) • Merz, L. ; Jaschek, H. : Grundkurs der Regelungstechnik, Oldenbourg. Verlag, München (Bibliothek HTW) • Tröster, F. : Steuerungs- und Regelungstechnik für Ingenieure, Oldenbourg-Verlag, München, 2001, ISBN-3 -486 -25044 -2 • Reuter, M. ; Zacher, S. : Regelungstechnik für Ingenieure, Vieweg Verlag, 10. Auflage 2002, ISBN 3 -528 -94004 -2 Oktober 2003 / Regelungstechnik 1 Blatt 1. 59 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel