Grundriss der praktischen Regelungstechnik

Dirk Fabian, Christian Spieker, Erwin Samal

• Publisher: De Gruyter Oldenbourg
• Year: 2014
• eBook ISBN: 9783486989762
• Edition: 22
• Topic: Tecnología e ingeniería
• Subtopic: Ingeniería general

Der mittlerweile in der 22. Auflage erschienene Klassiker der regelungstechnischen Literatur erhebt nach wie vor den Anspruch auf eine sehr anschauliche Weise in die für Industrie und Wissenschaft wichtige Disziplin der Regelungstechnik einzuführen. Anders als in mathematisch orientierten Darstellungen stehen die physikalisch-technischen Zusammenhänge und die praktische Regelungstechnik im Vordergrund dieses vollständig überarbeiteten Standardwerkes. Soweit mathematische Hilfsmittel für den Praktiker hilfreich sind, werden sie eingesetzt. Alle wesentlichen Fragen der praktischen – analogen und digitalen – Regelungstechnik sind behandelt; zahlreiche der Praxis entnommene Beispiele illustrieren die Verfahren.
Die aktuelle Auflage stellt einen Auszug der elementaren Inhalte der vorherigen Auflage dar mit dem Ziel, dem Leser ein kompaktes Nachschlagewerk bereitzustellen.

Teil I. Grundlagen der Regelungstechnik

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Grundbegriffe

1.1 Einleitung

Aufgabe der Regelung ist es, bestimmte Größen wie z. B. Temperatur, Drehzahl, Druck usw. auf vorgeschriebene Werte zu bringen und auf diesen entgegen allen Störeinwirkungen zu halten. Diese so einfach aussehende Aufgabe beinhaltet aber in sich eine erstaunliche Fülle von Problemen, wie man sie auf den ersten Blick gar nicht vermuten würde. Der praktisch tätige Regelungstechniker, der etwas gründlicher in die Regelungstechnik eindringen möchte, gewinnt beim Durchblättern regeltechnischer Zeitschriften und Bücher leicht die Meinung, dass ein tieferes Eindringen in die Regelungstechnik ohne umfangreiche mathematische Kenntnisse ausgeschlossen ist. Der Praktiker schlägt dann, nachdem er über mehrere Differentialgleichungen, die komplexe Rechnungsweise, die Laplace-Transformation oder über das Hurwitz- und Nyquist-Kriterium gestolpert ist, meist resigniert die beschaffte Literatur wieder zu.

Dieser Eindruck ist aber falsch. Die Erfahrung zeigt immer wieder, dass es bei hinreichender Bemühung um die Form der Darstellung gelingt, auch Zusammenhänge, die scheinbar nur aufgrund umfangreicher mathematischer Kenntnisse zu begreifen sind, verständlich zu machen. Wir können ja auch Auto fahren, elektrische Geräte benutzen und kleinere Störungen an diesen Einrichtungen selbst beheben, ohne dazu ihre genaue, mathematisch gefasste Theorie zu beherrschen. Zum Verlegen einer einfachen elektrischen Leitung ist auch nicht die Kenntnis der elektrischen Leitungstheorie erforderlich.

Worauf es bei der Lösung von Regelungsaufgaben eigentlich ankommt, ist nicht die Kenntnis vieler Formeln und Rechenverfahren, sondern das Erfassen der wirkungsmäßigen Zusammenhänge im Regelkreis. Daneben muss man sich – wie bei jeder Technik – eine Reihe von Zahlenwerten aneignen. Den Leser an diese Dinge heranzuführen, soll Aufgabe dieses Buchs sein.

Die Grundgesetze der Regelungstechnik gelten in gleicher Weise für alle Regelkreise, ganz unabhängig davon, wie verschieden sie im Einzelnen auch apparativ aufgebaut sein mögen. Um das besonders zu betonen, sind die im Buch gebrachten Beispiele bewusst den verschiedensten Gebieten der Technik entnommen. Einige besonders anschauliche Beispiele durchziehen dagegen wie ein roter Faden das ganze Buch. Alle beschriebenen Geräte sind schematisch gezeichnet, da eine solche Darstellung das Wesentliche am besten erkennen lässt. Eine große Zahl von Zeichnungen – die Sprache des Ingenieurs – mit ausführlichen Erklärungen soll das Eindringen in den Stoff erleichtern.

Der gebrachte Stoff ist ausschließlich nach seiner Bedeutung für die Praxis ausgewählt. Rein theoretische Betrachtungen, so interessant sie auch sein mögen, die keinen unmittelbaren Bezug auf die praktische Anwendung haben, sind weggelassen worden.

Im Text sind jeweils neue, erstmalig gebrachte Begriffe und wichtige Wörter, auf die es besonders ankommt, kursiv gedruckt. Am Schluss der meisten Abschnitte befindet sich jeweils eine Zusammenstellung der in diesem Abschnitt neu gebrachten Begriffe mit einer Erklärung dazu. Diese Zusammenstellung ist auch als kurze Wiederholung gedacht.

Die zahlreichen gebrachten Bilder sind nicht laufend, sondern abschnittsweise durchnummeriert und mit einem den Abschnitt kennzeichnenden Zusatz versehen.

1.2 Benennungen und Begriffe

Für die Signale von Regelkreisen wurden Formelzeichen und Begriffe vom Deutschen Institut für Normung in der Norm DIN ICE 60050-351 festgelegt. Jedoch wird diese Norm sowohl in Deutschland als auch im Ausland in regelungstechnischer Literatur kaum verwendet. Für die wichtigsten Signale des Regelkreises, die Führungsgröße, die Regelgröße, die Regelabweichung, die Störgröße und die Stellgröße, wird stattdessen überwiegend die folgende Bezeichnungsweise verwendet:

Führungsgröße: w

Regelgröße: y

Regelabweichung: e

Stellgröße: u

Störgröße: z

Im vorliegenden Buch wird ebenfalls diese Bezeichnungsweise verwendet.

1.3 Aufgabe der Regelung

Nach DIN 19226 ist das Regeln – die Regelung – ein Vorgang, bei dem eine Größe, die zu regelnde Größe (z. B. eine Temperatur, eine Drehzahl, eine Spannung), fortlaufend erfasst und mit einer anderen vorgegebenen Größe gleicher Art (der Führungsgröße, s. Abschn. 1.6) verglichen wird. Abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs wird durch den Regelvorgang eine Angleichung der zu regelnden Größe an den Wert der vorgegebenen Größe vorgenommen.

Regelgrößen sind zum Beispiel Temperaturen, Drehzahlen, elektrische Spannungen usw. Das Wort Regelgröße wird hier als Gattungsbegriff für verschiedene Arten von zu regelnden physikalischen Größen verwendet.

Neben den genannten Regelgrößen kommt in der Technik eine Fülle weiterer Regelgrößenarten vor. Tabelle 1.1 gibt eine Übersicht.

Die Regelgröße wird im Allgemeinen von einer Vielzahl von Größen beeinflusst. Ändern sich diese Größen, so ändert sich auch die Regelgröße. Betrachtet man zum Beispiel in einem gasbeheizten Ofen die Temperatur als Regelgröße y, die u.a. vom Gasstrom, vom Gasdruck, dem Heizwert des Gases, der Umgebungstemperatur und insbesondere auch vom schwankenden Wärmebedarf des Ofens beeinflusst wird. Auf die meisten dieser Größen hat der Betreiber der Anlage keinen oder nur eingeschränkten Einfluss. Die Änderungen dieser Größen sind Störungen, die die Temperatur verändern, ohne dass dies beabsichtigt war. Um Störungen entgegenzuwirken, wählt man eine leicht zu ändernde Einflussgröße (z. B. den Gasstrom), die man - gemäß einem geeigneten Regelalgorithmus - so verstellt, dass trotz der Störungen die Temperatur konstant bleibt. Diese Größe bezeichnet ...

Table of contents

• Titel
• Impressum
• Vorwort
• Inhaltsverzeichnis
• Teil I. Grundlagen der Regelungstechnik
• Teil II. Digitale Regelungstechnik
• Sachverzeichnis