Grundlagen Regelungstechnik - festo-didactic.com · Arbeitsbuch TP 1013 Mit CD-ROM Festo Didactic...

ArbeitsbuchTP 1013

Mit CD-ROM

Festo Didactic

8023436 de

Grundlagen Regelungstechnik

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Bestell-Nr.: 8023436

Stand: 08/2014

Autor: Jürgen Helmich*

Redaktion: Frank Ebel

Grafik: Anika Kuhn, Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger

Layout: 10/2014, Frank Ebel, Beatrice Huber

© Festo Didactic SE, 73770 Denkendorf, Deutschland, 2014

Internet: www.festo-didactic.com

E-Mail: [email protected]

* ADIRO Automatisierungstechnik GmbH

Limburgstraße 40 73734 Esslingen Deutschland

Der Käufer erhält ein einfaches, nicht-ausschließliches, zeitlich unbeschränktes und geografisch nur auf die

Nutzung innerhalb des Standortes/Sitz des Käufers beschränktes Nutzungsrecht wie folgt.

Der Käufer ist berechtigt, die Inhalte des Werkes zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter,

des Standortes zu nutzen und hierzu auch Teile der Inhalte zur Erstellung eigener Fortbildungsunterlagen

zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Standortes unter Angabe der Quelle zu

verwenden und für die Fortbildung am Standort zu kopieren. Bei Schulen/Hochschulen und

Ausbildungsstätten umfasst das Nutzungsrecht auch die Nutzung für deren Schüler, Lehrgangsteilnehmer

und Studenten des Standortes für den Unterricht.

Ausgeschlossen ist in jedem Fall das Recht zur Veröffentlichung sowie zur Einstellung und Nutzung in

Intranet- und Internet- sowie LMS-Plattformen und Datenbanken wie z. B. Moodle, die den Zugriff einer

Vielzahl von Nutzern auch außerhalb des Standortes des Käufers ermöglichen.

Weitere Rechte zu Weitergabe, Vervielfältigungen, Kopien, Bearbeitungen, Übersetzungen,

Mikroverfilmungen sowie die Übertragung, Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen,

unabhängig ob ganz oder in Teilen, bedürfen der vorherigen Zustimmung der Festo Didactic SE.

Hinweis

Soweit in diesem Arbeitsbuch nur von Lehrer, Schüler etc. die Rede ist, sind selbstverständlich auch

Lehrerinnen, Schülerinnen etc. gemeint. Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine

geschlechtsspezifische Benachteiligung sein, sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem

besseren Verständnis der Formulierungen.

© Festo Didactic 8023436 III

Inhalt

Bestimmungsgemäße Verwendung ___________________________________________________________ IV

Vorwort ___________________________________________________________________________________ V

Einleitung ________________________________________________________________________________ VII

Arbeits- und Sicherheitshinweise ___________________________________________________________ VIII

Trainingspaket „Grundlagen Regelungstechnik“ (TP 1013) ______________________________________ IX

Lernziele __________________________________________________________________________________ X

Gerätesatz ________________________________________________________________________________ XI

Zuordnung von Komponenten und Aufgaben ___________________________________________________ XII

Hinweise für den Lehrer/Ausbilder ____________________________________________________________ XII

Strukturen der Aufgaben ___________________________________________________________________ XIV

Inhalte der CD-ROM _______________________________________________________________________ XIV

Aufgaben und Lösungen

Aufgabe 1: Grundlagen der Signal- und Regelungstechnik ________________________________________ 3

Aufgabe 2: Analysieren eines Proportional-Glieds und eines PT1-Glieds ___________________________ 13

Aufgabe 3: Analysieren eines Integrier-Glieds _________________________________________________ 23

Aufgabe 4: Analysieren eines PT2-Glieds _____________________________________________________ 29

Aufgabe 5: Regeln der Temperatur mit einem 2-Punkt-Regler ____________________________________ 35

Aufgabe 6: Untersuchen eines Regelkreises aus P- oder I-Glied als Regler und PT1-Glied als Strecke ___ 41


Aufgabe 8: Analysieren eines Differenzier-Glieds und untersuchen eines PID-Reglers ________________ 67

Aufgabe 9: Einstellen eines Reglers nach Ziegler-Nichols ________________________________________ 77

Verständnisfragen _________________________________________________________________________ 85

Aufgaben und Arbeitsblätter











IV © Festo Didactic 8023436

Bestimmungsgemäße Verwendung

Das Trainingspaket „Grundlagen Regelungstechnik“ ist nur zu benutzen:

• Für die bestimmungsgemäße Verwendung im Lehr- und Ausbildungsbetrieb

• In sicherheitstechnisch einwandfreiem Zustand

Die Komponenten des Trainingspakets sind nach dem heutigen Stand der Technik und den anerkannten

sicherheitstechnischen Regeln gebaut. Dennoch können bei unsachgemäßer Verwendung Gefahren für Leib

und Leben des Benutzers oder Dritter und Beeinträchtigungen der Komponenten entstehen.

Das Lernsystem von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung im Bereich

Automatisierung und Technik entwickelt und hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen und/oder die

Ausbildenden hat/haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die Sicherheitsvorkehrungen, die

in diesem Arbeitsbuch beschrieben sind, zu beachten.

Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des Auszubildenden, des

Ausbildungsunternehmens und/oder sonstiger Dritter aus, die bei Gebrauch/Einsatz dieses Gerätesatzes

außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden

vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht.

© Festo Didactic 8023436 V

Vorwort

Das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic orientiert sich an unterschiedlichen

Bildungsvoraussetzungen und beruflichen Anforderungen. Abgeleitet hieraus ergibt sich die Gliederung des

Lernsystems:

• Technologieorientierte Trainingspakete

• Mechatronik und Fabrikautomation

• Prozessautomation und Regelungstechnik

• Robotino® – Lernen und forschen mit mobilen Robotern

• Hybride Lernfabriken

Die technologieorientierten Trainingspakete befassen sich mit den Technologien Pneumatik,

Elektropneumatik, Hydraulik, Elektrohydraulik, Proportionalhydraulik, Speicherprogrammierbare

Steuerungen, Sensorik, Elektrotechnik und elektrischen Antrieben.

Der modulare Aufbau des Lernsystems ermöglicht Anwendungen, die über die Grenzen der einzelnen Pakete

hinausgehen. Beispielsweise sind SPS-Ansteuerungen von pneumatischen, hydraulischen und elektrischen

Antrieben möglich.

VI © Festo Didactic 8023436

Alle Trainingspakete setzen sich aus den folgenden Elementen zusammen:

• Hardware

• Medien

• Seminare

Hardware

Die Hardware der Trainingspakete besteht aus didaktisch aufbereiteten Industriekomponenten und

Systemen. Die Komponentenauswahl und Ausführung in den Trainingspaketen ist speziell an die Projekte

der begleitenden Medien angepasst.

Medien

Die Medien zu den einzelnen Themengebieten sind den Bereichen Teachware und Software zugeordnet. Die

praxisorientierte Teachware umfasst:

• Fach- und Lehrbücher (Standardwerke zur Vermittlung fundamentaler Kenntnisse)

• Arbeitsbücher (praktische Aufgaben mit ergänzenden Hinweisen und Musterlösungen)

• Lexika, Handbücher, Fachbücher (bieten Fachinformationen zu vertiefenden Themenbereichen)

• Foliensammlungen und Videos (zur anschaulichen und lebendigen Unterrichtsgestaltung)

• Poster (für die übersichtliche Darstellung von Sachverhalten)

Aus dem Bereich Software werden Programme für die folgenden Anwendungen bereitgestellt:

• Digitale Lernprogramme (didaktisch und medial aufbereitete Lerninhalte)

• Simulationssoftware

• Visualisierungssoftware

• Software zur Messdatenerfassung

• Projektierungs- und Konstruktionssoftware

• Programmiersoftware für Speicherprogrammierbare Steuerungen

Die Lehr- und Lernmedien sind in mehreren Sprachen verfügbar. Sie sind für den Einsatz im Unterricht

konzipiert, aber auch für ein Selbststudium geeignet.

Seminare

Ein umfassendes Seminarangebot zu den Inhalten der Trainingspakete rundet das Angebot in Aus- und

Weiterbildung ab.

Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Buch?

Dann senden Sie eine E-Mail an: [email protected]

Die Autoren und Festo Didactic freuen sich auf Ihre Rückmeldung.

© Festo Didactic 8023436 VII

Einleitung

Das vorliegende Arbeitsbuch ist ein Element aus dem Lernsystem Automatisierung und Technik der Firma

Festo Didactic SE. Das System bildet eine solide Grundlage für eine praxisorientierte Aus- und

Weiterbildung. Das Trainingspaket „Grundlagen der Regelungstechnik“ (TP 1013) bietet einen schnellen

und leicht verständlichen Einstieg in die Thematik der Regler und Regelstrecken.

Besonders wichtig sind in diesem Zusammenhang die Grundbegriffe der Regelungstechnik, die

Verhaltensweisen verschiedener Regler und die strukturierte Analyse der Anforderungen an Regelstrecken.

In den Projekten werden Mittel und Wege zur Analyse und Lösung von Regelproblemen aufgezeigt und

durch Experimente vertieft.

Der Gerätesatz erlaubt den schnellen und flexiblen Aufbau verschiedener Regler und ermöglicht somit die

einfache Untersuchung deren Verhaltens im Zusammenspiel mit Regelstrecken unterschiedlicher Ordnung.

Alle Teile des Gerätesatzes sind komplett mit Sicherheitssteckverbindungen ausgestattet. Der im Gerätesatz

enthaltene Kombiboard EduTrainer® Digital- und Regelungstechnik stellt die benötigten

Versorgungsspannungen für alle Versuche bereit und enthält zudem einen Rechteckgenerator mit sieben

unterschiedlichen Ausgangsfrequenzen. Dieser Kombiboard EduTrainer® wird auch im Trainingspaket

„Grundlagen der Digitaltechnik“ (TP 1012) genutzt.

Mit dem Gerätesatz TP 1013 werden die kompletten Schaltungen der 9 Aufgabenstellungen zum Thema

aufgebaut. Die theoretischen Grundlagen für das Verständnis dieser Aufgaben enthalten die Lehrbücher

• Fachkunde Elektroberufe, Bestell-Nr. 567297 und

• Elektrotechnik, Bestell-Nr. 567298.

VIII © Festo Didactic 8023436

Arbeits- und Sicherheitshinweise

Allgemein

• Die Auszubildenden dürfen nur unter Aufsicht einer Ausbilderin/eines Ausbilders an den Schaltungen

arbeiten.

• Betreiben Sie elektrische Geräte (z. B. Netzgeräte, Verdichter, Hydraulikaggregate) nur in

Ausbildungsräumen, die mit einer Fehlerstromschutzeinrichtung (FI, RCD) ausgestattet sind.

• Beachten Sie die Angaben der Datenblätter zu den einzelnen Komponenten, insbesondere auch alle

Hinweise zur Sicherheit!

• Störungen, die die Sicherheit beeinträchtigen können, dürfen beim Schulungsbetrieb nicht erzeugt

werden und sind umgehend zu beseitigen.

Elektrik

• Lebensgefahr bei unterbrochenem Schutzleiter!

– Der Schutzleiter (gelb/grün) darf weder außerhalb noch innerhalb des Geräts unterbrochen werden.

– Die Isolierung des Schutzleiters darf weder beschädigt noch entfernt werden.

• In gewerblichen Einrichtungen sind die Berufsgenossenschaftlichen Vorschriften BGV A3 „Elektrische

Anlagen und Betriebsmittel“ zu beachten

• In Schulen und Ausbildungseinrichtungen ist das Betreiben von Netzgeräten durch geschultes Personal

verantwortlich zu überwachen

• Vorsicht!

Kondensatoren im Gerät können noch geladen sein, selbst wenn das Gerät von allen Spannungsquellen

getrennt wurde.

• Beim Ersetzten von Sicherungen: Verwenden Sie nur vorgeschriebene Sicherungen mit der richtigen

Nennstromstärke.

• Schalten Sie Ihr Netzgerät niemals sofort ein, wenn es von einem kalten in einen warmen Raum

Gebracht wird. Das dabei entstehende Kondenswasser kann unter ungünstigen Umständen Ihr Gerät

zerstören. Lassen Sie das Gerät ausgeschaltet, bis es Zimmertemperatur erreicht hat.

• Verwenden Sie als Betriebsspannung für die Schaltungen der einzelnen Aufgaben nur Kleinspannungen,

maximal +5 V DC.

• Stellen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand her!

• Bauen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosen Zustand ab!

• Verwenden Sie für die elektrischen Anschlüsse nur Verbindungsleitungen mit Sicherheitssteckern.

• Ziehen Sie beim Abbauen der Verbindungsleitungen nur an den Sicherheitssteckern, nicht an den

Leitungen.

© Festo Didactic 8023436 IX

Trainingspaket „Grundlagen Regelungstechnik“ (TP 1013)

Das Trainingspaket TP 1013 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Ausbildungsmitteln. Gegenstand des

Trainingspaketes TP 1013 sind die Grundlagen der Regelungstechnik. Einzelne Komponenten aus dem

Trainingspaket TP 1013 können auch Bestandteil anderer Pakete sein.

Wichtige Komponenten des TP 1013

• Fester Arbeitsplatz mit Universal-Steckfeld EduTrainer

• Bauteilsatz Regelungstechnik und Sicherheits-Laborleitungen

• Kombiboard Digital- und Regelungstechnik EduTrainer®

• Komplette Laboreinrichtungen

Medien

Die Teachware zum Trainingspaket TP 1013 besteht aus Fach- und Tabellenbüchern und einem Arbeitsbuch.

Die Fachbücher vermitteln anschaulich und übersichtlich die Grundlagen der Regelungstechnik. Das

Arbeitsbuch enthält zu jeder Aufgabe die Aufgabenblätter, die Lösungen zu jedem einzelnen Arbeitsblatt

und eine CD-ROM. Ein Satz gebrauchsfertiger Aufgaben- und Arbeitsblätter zu jeder Aufgabe wird mit dem

Arbeitsbuch geliefert.

Datenblätter zu den Hardware-Komponenten werden mit dem Trainingspaket und auf der CD-ROM zur

Verfügung gestellt.

Medien

Fachbücher Fachkunde Elektroberufe

Elektrotechnik

Tabellenbuch Elektrotechnik/Mechatronik

Arbeitsbuch Grundlagen Regelungstechnik

Übersicht der Medien zum Trainingspaket TP 1013

Die Medien werden in mehreren Sprachen angeboten. Weitere Ausbildungsmittel ersehen Sie aus unseren

Katalogen und im Internet.

X © Festo Didactic 8023436

Lernziele

Aufgabe 1: Grundlagen der Signal- und Regelungstechnik

• Sie können Begriffe wie Sinus-, Rechteck- und Dreiecksignal einordnen.

• Sie können Sprungantwort, Steuerung und Regelung zuordnen.

• Sie kennen das Verhalten und die Funktion eines Hysterese-Glieds.

Aufgabe 2: Analysieren eines Proportional-Glieds und eines PT1-Glieds

• Sie kennen das Verhalten eines P-Glieds.

• Sie kennen das Verhalten eines PT1-Glieds.

• Sie können dessen Sprungantworten aufzeichnen.

• Sie wissen, wie mit der Tangentenmethode und der 63 % Methode die Verzögerungszeit ermittelt

werden kann.

Aufgabe 3: Analysieren eines Integrier-Glieds

• Sie kennen das Verhalten eines I-Glieds.

• Sie können dessen Sprungantwort aufzeichnen.

Aufgabe 4: Analysieren eines PT2-Glieds

• Sie kennen das Verhalten eines PT2-Glieds.

• Sie können dessen Sprungantwort aufzeichnen.

• Sie wissen, wie mit der Tangentenmethode durch Anlegen im Wendepunkt die Verzugszeit und die

Ausgleichszeit ermittelt werden kann.

Aufgabe 5: Regeln der Temperatur mit einem 2-Punkt-Regler

• Sie können einen 2-Punkt-Regler aufbauen.

• Sie kennen die Funktionen dieses Bauteils.

Aufgabe 6: Untersuchen eines Regelkreises aus P- oder I-Glied als Regler und PT1-Glied als Strecke

• Sie kennen die Begriffe einer Regelstrecke.

• Sie kennen das Verhalten einer Regelstrecke aus P-Regler und PT1-Strecke.

• Sie Kennen das Verhalten einer Regelstrecke aus I-Regler und PT1-Strecke.

• Sie kennen das Schwingungsverhalten eines Systems.

Aufgabe 7: Untersuchen eines Regelkreises aus P- oder I-Glied als Regler und PT2-Glied als Strecke

• Sie kennen das Verhalten einer Regelstrecke aus P- Regler und PT2- Strecke.

• Sie kennen das Verhalten einer Regelstrecke aus I-Regler und PT2-Strecke.

© Festo Didactic 8023436 XI

Aufgabe 8: Analysieren eines Differenzier-Glieds und untersuchen eines PID-Reglers

• Sie kennen das Verhalten eines D-Glieds.

• Sie kennen die Sprungantwort eines D-Glieds.

• Sie können einen PID-Regler zusammenstellen.

Aufgabe 9: Einstellen eines Reglers nach Ziegler-Nichols

• Sie können die Regelparameter mit dem Verfahren von Ziegler-Nichols ermitteln.

• Sie kennen die Streckenidentifikation durch die Sprungantwort.

Gerätesatz

Das Arbeitsbuch „Grundlagen der Regelungstechnik“ liefert den Einstieg in die Regelungstechnik.

Beispielhaft wird in die Grundbegriffe eingeführt und zunächst Verhaltensweisen und Zusammenhänge

erarbeitet. Besonderer Wert liegt hierbei auf den Themen Verhalten und Analyse von Regelstrecken.

Der Gerätesatz „Grundlagen der Regelungstechnik“ enthält alle Komponenten, die für die Erarbeitung der

vorgegebenen Lernziele erforderlich sind. Zum Aufbau und zur Auswertung funktionsfähiger Schaltungen

werden zusätzlich

• ein Oszilloskop,

• ein Funktionsgenerator und

• Sicherheits-Laborleitungen

benötigt.

Gerätesatz Grundlagen der Regelungstechnik, Bestell-Nr. 8023964

Komponente Bestell-Nr. Menge

Kombiboard Digital- und Regelungstechnik EduTrainer® 8023962 1

Bauteilesatz Regelungstechnik 8023963 1

XII © Festo Didactic 8023436

Übersicht Bauteilesatz „Regelungstechnik“ (Bestell-Nr. 8023693)

Komponente Bestell-Nr. Menge

P-Glied 760540 1

I-Glied 760541 1

D-Glied 760542 1

2 Differenzeingänge mit Subtrahierer 760546 1

Summierer mit einstellbarem Offset 760547 1

Begrenzer mit Pegelanpassung der Ausgangssignale 760548 1

PT1-Glied 8024943 1

PT2-Glied 8024944 1

Hysterese-Glied 2697557 1

Zuordnung von Komponenten und Aufgaben

Aufgabe

Komponente

1 2 3 4 5 6 7 8 9

P-Glied x x x x x

I-Glied x x x x x

D-Glied x

2 Differenzeingänge mit Subtrahierer x x x x x

Summierer mit einstellbarem Offset x x

Begrenzer mit Pegelanpassung der Ausgangssignale

PT1-Glied x x x

PT2-Glied x x x x

Hysterese-Glied x x

Hinweise für den Lehrer/Ausbilder

Lernziele

Das Groblernziel des vorliegenden Arbeitsbuchs sind der Aufbau und die Analyse ausgewählter

Grundschaltungen der Regelungstechnik. Zu den Inhalten gehören unter anderem elementare

Grundschaltungen, Strecken, Zweipunktregler, PID-Regler und Berechnungen.

© Festo Didactic 8023436 XIII

Richtzeit

Die benötigte Zeit für das Durcharbeiten der Aufgabenstellungen hängt vom Vorwissen der Lernenden ab.

Pro Aufgabe können ca. 1 bis 1,5 Stunden angesetzt werden.

Komponenten des Gerätesatzes

Arbeitsbuch und Gerätesatz sind aufeinander abgestimmt. Für alle 9 Aufgaben benötigen Sie nur

Komponenten eines Gerätesatzes TP 1013.

Normen

Im vorliegenden Arbeitsbuch werden die folgenden Normen angewendet:

EN 60617-2 bis EN 60617-13 Graphische Symbole für Schaltpläne

EN 81346-2 Industrielle Systeme, Anlagen und Ausrüstungen und Industrieprodukte;

Strukturierungsprinzipien und Referenzkennzeichnung

DIN VDE 0100-100 Errichten von Niederspannungsanlagen – Allgemeine Grundsätze,

(IEC 60364-1) Bestimmungen, allgemeiner Merkmale, Begriffe

DIN VDE 0100-410 Errichten von Niederspannungsanlagen – Schutzmaßnahmen –

(IEC 60346-4-41) Schutz gegen elektrischen Schlag

DIN IEC 60050-351 Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch –

Teil 351: Leittechnik (IEC 60050-351:2006)

DIN EN 60027-6 Formelzeichen für die Elektrotechnik –

Teil 6: Steuerungs- und Regelungstechnik (IEC 60027-6:2006);

Kennzeichnungen im Arbeitsbuch

Zu ergänzende Texte sind durch Raster oder graue Tabellenzellen gekennzeichnet.

Zu ergänzende Grafiken sind durch Raster hinterlegt.

Kennzeichnungen in den Arbeitsblättern

Zu ergänzende Texte sind durch Raster oder graue Tabellenzellen gekennzeichnet.

Zu ergänzende Grafiken sind durch Raster hinterlegt.

Lösungen

Die in diesem Arbeitsbuch angegebenen Lösungen sind Ergebnisse von Testmessungen. Die Resultate Ihrer

Messungen können von diesen Daten abweichen.

Dies trifft besonders bei Komponenten zu, deren Parameter mit einem Potenziometer einstellbar sind.

Lernfelder

Für den Ausbildungsberuf Mechatroniker/Elektroniker/in ist das Ausbildungsthema „Grundlagen

Regelungstechnik“ dem Lernfeld 1 der Berufsschule zugeordnet.

XIV © Festo Didactic 8023436

Strukturen der Aufgaben

Alle 9 Aufgaben haben den gleichen methodischen Aufbau. Die Aufgaben sind gegliedert in:

• Titel

• Lernziele

• Problemstellungen

• Schaltung oder Lageplan

• Arbeitsauftrag

• Arbeitshilfen

• Arbeitsblätter

Das Arbeitsbuch enthält die Lösungen zu jedem Arbeitsblatt der Aufgabensammlung.

Inhalte der CD-ROM

Das Arbeitsbuch ist auf der mitgelieferten CD-ROM als pdf-Datei gespeichert. Zusätzlich stellt die CD-ROM

Ihnen ergänzende Medien zur Verfügung.

Die CD-ROM enthält folgende Ordner:

• Bedienungsanleitungen

• Bilder

Bedienungsanleitungen

Bedienungsanleitungen für verschiedene Komponenten des Trainingspakets stehen zur Verfügung. Diese

Anleitungen helfen bei Einsatz und Inbetriebnahme der Komponenten.

Bilder

Fotos und Grafiken von Komponenten und praktischen Anwendungen werden bereitgestellt. Hiermit können

eigene Aufgabenstellungen illustriert werden. Auch Projektpräsentationen können durch den Einsatz dieser

Abbildungen ergänzt werden.

© Festo Didactic 8023436 1

Inhalt

Aufgaben und Lösungen











Inhalt

2 © Festo Didactic 8023436


Aufgabe 1 Grundlagen der Signal- und Regelungstechnik

Lernziele

Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben,

• können Sie Begriffe wie Sinus-, Rechteck- und Dreiecksignal einordnen.

• können Sie Sprungantwort, Steuerung und Regelung zuordnen.

• kennen Sie das Verhalten und die Funktion eines Hysterese-Glieds.

Problembeschreibung

Das dynamische Betriebsverhalten einer Maschine, z. B. eines Drehstrommotors, wird in der Systemtheorie

in Grundbausteinen definiert. Damit kann ein System technisch eindeutig beschrieben werden. In

Verbindung mit einem Regler werden die Grundbausteine in einem Blockschaltbild als Regelkreis

dargestellt.

Die Grundbausteine eines Regelkreises werden anhand ihres Übertragungsverhaltens charakterisiert. Das

Übertragungsverhalten ergibt sich aus der mathematischen Beziehung der Eingangs- und Ausgangssignale.

Das Verhalten wird anhand von unterschiedlichen Testsignalen als Eingangssignal xe und dem

Ausgangssignal xa als Reaktion darauf, meist zeitverzögert, ausgewertet.

Übertragungsverhalten eines Grundbausteins

Ist das Übertragungsverhalten der Regelstrecke bekannt, kann der passende Regler dazu ausgewählt

werden.

Aufgabe 1 – Grundlagen der Signal- und Regelungstechnik


Arbeitsaufträge

1. Beantworten Sie die Fragen zur Regelungstechnik.

2. Zeichnen Sie verschiedene Signale eines Funktionsgenerators mit einem Oszilloskop auf.

3. Lernen Sie den Begriff Sprungantwort kennen.

4. Bauen Sie die Schaltung zur Untersuchung des Hysterese-Glieds auf.

5. Nehmen Sie die Kennlinie des Hysterese-Glieds auf.

6. Beschreiben Sie die Funktion des Hysterese-Glieds anhand der gemessenen Kennlinien.

Arbeitshilfen

• Fachbücher

• Tabellenbücher


• Datenblätter

• Internet



1. Beantworten von Fragen zur Regelungstechnik

Information – Definition Regelung nach DIN IEC 60050-351 (351-26-01)

Das Regeln ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine variable Größe, die Regelgröße, erfasst, mit

einer anderen variablen 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 Regelgröße im Wirkungsweg des Regelkreises fortlaufend sich selbst

beeinflusst.

Information – Definition Steuerung nach DIN IEC 60050-351 (351-26-02)

Das Steuern ist ein Vorgang, bei dem eine oder mehrere variable Größen als Eingangsgrößen

andere variable Größen als Ausgangsgrößen auf Grund der dem System eigenen

Gesetzmäßigkeiten beeinflussen. Kennzeichen für das Steuern ist der offene Wirkungsweg oder ein

geschlossener Wirkungsweg, bei dem die durch die Eingangsgrößen beeinflussten Ausgangsgrößen

nicht fortlaufend und nicht wieder über dieselben Eingangsgrößen auf sich selbst wirken.

a) Nennen Sie Beispiele für zu regelnde Größen.

An Maschinen oder Anlagen werden Größen wie

– Drehzahl,

– Durchfluss

– Temperatur,

– Füllstand, etc.

auf vorgegebene Werte eingestellt. Diese eingestellten Werte sollen sich bei auftretenden Störungen

nicht verändern. Solche Aufgaben werden von einer Regelung übernommen.

b) Wie wird die zu regelnde Größe dem Regler zur Verfügung gestellt?

Damit eine zu regelnde Größe einem selbsttätig arbeitenden Regler als elektrisches Signal zur

Verfügung steht, wird sie zunächst erfasst und in eine standardisierte Größe, wie z. B. 0…10 V oder

-1…+1 oder 0…100% umgewandelt.

Diese Größe wird vom Regler mit dem vorgegebenen Wert oder Werteverlauf verglichen. Aus dem

Vergleich wird mit einer Regelfunktion abgeleitet, wie in die Anlage eingegriffen wird. In der

Regelungstechnik wird die Maschine oder Anlage als System bezeichnet.



c) Welche Komponente muss in der Maschine oder Anlage vorhanden sein, damit die Regelung

funktionieren kann?

In der Maschine oder Anlage muss eine Komponente vorhanden sein, über welche man die zu

regelnde Größe beeinflussen kann (z. B. der Steller einer Heizung, das Ventil einer Rohrleitung), die

Regeleinrichtung.

d) Ergänzen Sie die folgende Tabelle.

Kriterien Steuerung Regelung

Form des Wirkungsablaufs/Wirkungswegs offen (Reihenschaltung) geschlossen

Messung des Ausgangssignals nicht erforderlich fortlaufende Messung

Rückkopplung des Ausgangssignals nein ja

2. Aufzeichnen der Signale eines Funktionsgenerators

Hinweis

Diese Teilaufgabe dient dazu, mit der Bedienung eines Oszilloskops vertraut zu werden. Weder das

Oszilloskop noch der Funktionsgenerator sind Bestandteil des Gerätesatzes TP 1013 „Grundlagen

der Regelungstechnik“.

Bauteilliste

Funktionsgenerator

Digitales Speicheroszilloskop

Durchführen des Versuchsaufbaus

Setzen Sie einen Haken, wenn Sie die einzelnen Tätigkeiten ausgeführt haben.

• Verbinden Sie den Funktionsgenerator mit dem Kanal 1 des Oszilloskops.

Achten Sie darauf, dass die Masseleitungen miteinander verbunden sind!

• Stellen Sie die Signalform ein: Sinus, Rechteck oder Dreieck.

• Stellen Sie am Funktionsgenerator eine Frequenz von 20 Hz und eine Amplitude von 10 V ein.

• Stellen Sie am Oszilloskop die Spannung/Division auf 5 V und die Zeit/Division auf 25 ms ein.

• Messen Sie mit dem Oszilloskop die Amplitudenspannung und die Frequenz.



Messen der Signale

Aufzeichnung

Eingang CH1: Sinussignal f = 20 Hz, Vss = 10 V

Aufzeichnung

Eingang CH1: Rechtecksignal f = 20 Hz, Vss= 10 V

Aufzeichnung

Eingang CH1: Dreiecksignal f = 20 Hz, Vss = 10 V



Information – Begriffe der Signaltechnik

Amplitude ist die maximale Auslenkung einer sinusförmigen Wechselspannung. Die Amplitude wird

zwischen dem Nulldurchgang und der max. Auslenkung des Signals gemessen.

Periode (Periodendauer) ist das kleinste Intervall, nach dem sich ein Vorgang regelmäßig

wiederholt.

Offset ist ein konstanter Versatz (positiv oder negativ) eines Messwertes.

3. Kennenlernen des Begriffs Sprungantwort

Information – Sprungantwort

Die Sprungantwort stellt das zeitliche Systemverhalten am Ausgang dar, wenn sich der Eingang des

Systems plötzlich verändert. Die einfachste Möglichkeit, eine unbekannte Strecke zu testen ist das

folgende Experiment: Als Stellgröße wird ein sprungförmiges Signal gegeben, z. B. in dem ein

Schalter geschlossen wird. Dann wird der zeitliche Verlauf der Regelgröße gemessen. Dies nennt

man die „Sprungantwort“ des Systems.

Die Sprungantwort verrät Ihnen etwas über das zeitliche Verhalten der Strecke, z. B. wie schnell

oder langsam sie reagiert, ob sie schwingt, ob ein Endwert erreicht wird oder nicht.

Eine Sprungantwort zeigt das dynamische Verhalten eines Systems so lange sich der Ausgangswert

verändert. Bleibt der Ausgangswert konstant und ändert sich nicht mehr, dann spricht man von

einem statischen Verhalten.



4. Aufbauen der Schaltung zur Untersuchung des Hysterese-Glieds

Blocksymbol Hysterese-Glied

Bauteilliste

Hysterese-Glied

Kombiboard Digital- und Regelungstechnik EduTrainer®


Sicherheits-Laborleitungen mit 2 mm Sicherheitssteckern

Versuchsaufbau



• Verbinden Sie das Hysterese-Glied mit +15V (rote Leitung), -15V (schwarze Leitung)

und Masse/0V (blaue Leitung).

• Verbinden Sie das Sinussignal des Funktionsgenerators mit dem Signaleingang

des Hysterese-Glieds.

• Verbinden Sie Kanal 1 des Oszilloskops mit dem Signaleingang und Kanal 2 mit

dem Signalausgang des Hysterese-Glieds.

• Verbinden Sie die Masse des Kanals 1 und 2 mit der Masse des Kombiboard Edutrainers®.

• Stellen Sie den Funktionsgenerator auf ein Sinussignal mit einer Frequenz von 20 Hz

und einer Amplitude von 10 V ein.

• Stellen Sie am Oszilloskop für Kanal 1 und 2 die Spannung/Division auf 5 V und

die Zeit/Division auf 10 ms ein.



5. Aufnehmen der Kennlinie des Hysterese-Glieds

Hinweis – Anzeige der Schwellwerte am Oszilloskop

Um die Schwellwerte exakt ermitteln zu können gibt es am Oszilloskop eine Messfunktion, die

Ihnen die genauen Ein- und Ausschaltpunkte anzeigt. Man kann mit dem sogenannten Cursor die

Amplitude, Zeit und Differenz zwischen Signalen ermitteln und anzeigen lassen.

a) Stellen Sie die in der Tabelle angegebenen Werte mit dem Potenziometer ein.

b) Speichern Sie die gemessenen Kennlinien.

c) Lesen Sie die Schwellwertspannungen mit Hilfe z. B. der Messfunktion eines Oszilloskops ab. Tragen

Sie die Messwerte in die Tabelle ein.

Hysteresespannung [V] Einschaltpunkt [V] Ausschaltpunkt [V]

0 0 0

1 1,20 -1,80

2 3,60 -4,20

4 5,80 -6,20

8 8,80 -9,00

6. Beschreiben der Funktion des Hysterese-Glieds

Es gibt zwei Schaltpunkte. Das Hysterese-Glied schaltet die Ausgangspannung auf ±15 V, sobald die

positive oder negative Eingangsspannung einen bestimmten Schwellwert über- oder unterschritten

hat. Die Einstellung des Schwellwerts erfolgt mit dem Potenziometer.



Kennlinie Hysterese-Glied

Aufzeichnung bei Einstellung Potenziometer = 0 V,

Eingang CH1: Sinussignal f = 20 Hz, Vss = 10 V,

Ausgang CH2




Ausgang CH2




Ausgang CH2






Ausgang CH2




Ausgang CH2


Inhalt

Aufgaben und Arbeitsblätter











Inhalt



Aufgabe 1 Grundlagen der Signal- und Regelungstechnik

Lernziele

Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben,

• können Sie Begriffe wie Sinus-, Rechteck- und Dreiecksignal einordnen.

• können Sie Sprungantwort, Steuerung und Regelung zuordnen.

• kennen Sie das Verhalten und die Funktion eines Hysterese-Glieds.

Problembeschreibung

Das dynamische Betriebsverhalten einer Maschine, z. B. eines Drehstrommotors, wird in der Systemtheorie

in Grundbausteinen definiert. Damit kann ein System technisch eindeutig beschrieben werden. In

Verbindung mit einem Regler werden die Grundbausteine in einem Blockschaltbild als Regelkreis

dargestellt.

Die Grundbausteine eines Regelkreises werden anhand ihres Übertragungsverhaltens charakterisiert. Das

Übertragungsverhalten ergibt sich aus der mathematischen Beziehung der Eingangs- und Ausgangssignale.

Das Verhalten wird anhand von unterschiedlichen Testsignalen als Eingangssignal xe und dem

Ausgangssignal xa als Reaktion darauf, meist zeitverzögert, ausgewertet.

Übertragungsverhalten eines Grundbausteins

Ist das Übertragungsverhalten der Regelstrecke bekannt, kann der passende Regler dazu ausgewählt

werden.


4 Name: __________________________________ Datum: ____________ © Festo Didactic 8023436

Arbeitsaufträge

1. Beantworten Sie die Fragen zur Regelungstechnik.

2. Zeichnen Sie verschiedene Signale eines Funktionsgenerators mit einem Oszilloskop auf.

3. Lernen Sie den Begriff Sprungantwort kennen.

4. Bauen Sie die Schaltung zur Untersuchung des Hysterese-Glieds auf.

5. Nehmen Sie die Kennlinie des Hysterese-Glieds auf.

6. Beschreiben Sie die Funktion des Hysterese-Glieds anhand der gemessenen Kennlinien.

Arbeitshilfen

• Fachbücher

• Tabellenbücher


• Datenblätter

• Internet


© Festo Didactic 8023436 Name: __________________________________ Datum: ____________ 5

1. Beantworten von Fragen zur Regelungstechnik

Information – Definition Regelung nach DIN IEC 60050-351 (351-26-01)

Das Regeln ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine variable Größe, die Regelgröße, erfasst, mit

einer anderen variablen 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 Regelgröße im Wirkungsweg des Regelkreises fortlaufend sich selbst

beeinflusst.

Information – Definition Steuerung nach DIN IEC 60050-351 (351-26-02)

Das Steuern ist ein Vorgang, bei dem eine oder mehrere variable Größen als Eingangsgrößen

andere variable Größen als Ausgangsgrößen auf Grund der dem System eigenen

Gesetzmäßigkeiten beeinflussen. Kennzeichen für das Steuern ist der offene Wirkungsweg oder ein

geschlossener Wirkungsweg, bei dem die durch die Eingangsgrößen beeinflussten Ausgangsgrößen

nicht fortlaufend und nicht wieder über dieselben Eingangsgrößen auf sich selbst wirken.

a) Nennen Sie Beispiele für zu regelnde Größen.

b) Wie wird die zu regelnde Größe dem Regler zur Verfügung gestellt?



c) Welche Komponente muss in der Maschine oder Anlage vorhanden sein, damit die Regelung

funktionieren kann?

d) Ergänzen Sie die folgende Tabelle.

Kriterien Steuerung Regelung

Form des Wirkungsablaufs/Wirkungswegs

Messung des Ausgangssignals

Rückkopplung des Ausgangssignals

2. Aufzeichnen der Signale eines Funktionsgenerators

Hinweis

Diese Teilaufgabe dient dazu, mit der Bedienung eines Oszilloskops vertraut zu werden. Weder das

Oszilloskop noch der Funktionsgenerator sind Bestandteil des Gerätesatzes TP 1013 „Grundlagen

der Regelungstechnik“.

Bauteilliste

Funktionsgenerator




• Verbinden Sie den Funktionsgenerator mit dem Kanal 1 des Oszilloskops.

Achten Sie darauf, dass die Masseleitungen miteinander verbunden sind!

• Stellen Sie die Signalform ein: Sinus, Rechteck oder Dreieck.

• Stellen Sie am Funktionsgenerator eine Frequenz von 20 Hz und eine Amplitude von 10 V ein.

• Stellen Sie am Oszilloskop die Spannung/Division auf 5 V und die Zeit/Division auf 25 ms ein.

• Messen Sie mit dem Oszilloskop die Amplitudenspannung und die Frequenz.



Messen der Signale

Aufzeichnung

Eingang CH1: Sinussignal f = 20 Hz, Vss = 10 V

Aufzeichnung

Eingang CH1: Rechtecksignal f = 20 Hz, Vss= 10 V

Aufzeichnung

Eingang CH1: Dreiecksignal f = 20 Hz, Vss = 10 V



Information – Begriffe der Signaltechnik

Amplitude ist die maximale Auslenkung einer sinusförmigen Wechselspannung. Die Amplitude wird

zwischen dem Nulldurchgang und der max. Auslenkung des Signals gemessen.

Periode (Periodendauer) ist das kleinste Intervall, nach dem sich ein Vorgang regelmäßig

wiederholt.

Offset ist ein konstanter Versatz (positiv oder negativ) eines Messwertes.

3. Kennenlernen des Begriffs Sprungantwort

Information – Sprungantwort

Die Sprungantwort stellt das zeitliche Systemverhalten am Ausgang dar, wenn sich der Eingang des

Systems plötzlich verändert. Die einfachste Möglichkeit, eine unbekannte Strecke zu testen ist das

folgende Experiment: Als Stellgröße wird ein sprungförmiges Signal gegeben, z. B. in dem ein

Schalter geschlossen wird. Dann wird der zeitliche Verlauf der Regelgröße gemessen. Dies nennt

man die „Sprungantwort“ des Systems.

Die Sprungantwort verrät Ihnen etwas über das zeitliche Verhalten der Strecke, z. B. wie schnell

oder langsam sie reagiert, ob sie schwingt, ob ein Endwert erreicht wird oder nicht.

Eine Sprungantwort zeigt das dynamische Verhalten eines Systems so lange sich der Ausgangswert

verändert. Bleibt der Ausgangswert konstant und ändert sich nicht mehr, dann spricht man von

einem statischen Verhalten.



4. Aufbauen der Schaltung zur Untersuchung des Hysterese-Glieds

Blocksymbol Hysterese-Glied

Bauteilliste

Hysterese-Glied

Kombiboard Digital- und Regelungstechnik EduTrainer®


Sicherheits-Laborleitungen mit 2 mm Sicherheitssteckern

Versuchsaufbau



• Verbinden Sie das Hysterese-Glied mit +15V (rote Leitung), -15V (schwarze Leitung)

und Masse/0V (blaue Leitung).

• Verbinden Sie das Sinussignal des Funktionsgenerators mit dem Signaleingang

des Hysterese-Glieds.

• Verbinden Sie Kanal 1 des Oszilloskops mit dem Signaleingang und Kanal 2 mit

dem Signalausgang des Hysterese-Glieds.

• Verbinden Sie die Masse des Kanals 1 und 2 mit der Masse des Kombiboard Edutrainers®.

• Stellen Sie den Funktionsgenerator auf ein Sinussignal mit einer Frequenz von 20 Hz

und einer Amplitude von 10 V ein.

• Stellen Sie am Oszilloskop für Kanal 1 und 2 die Spannung/Division auf 5 V und

die Zeit/Division auf 10 ms ein.



5. Aufnehmen der Kennlinie des Hysterese-Glieds

Hinweis – Anzeige der Schwellwerte am Oszilloskop

Um die Schwellwerte exakt ermitteln zu können gibt es am Oszilloskop eine Messfunktion, die

Ihnen die genauen Ein- und Ausschaltpunkte anzeigt. Man kann mit dem sogenannten Cursor die

Amplitude, Zeit und Differenz zwischen Signalen ermitteln und anzeigen lassen.

a) Stellen Sie die in der Tabelle angegebenen Werte mit dem Potenziometer ein.

b) Speichern Sie die gemessenen Kennlinien.

c) Lesen Sie die Schwellwertspannungen mit Hilfe z. B. der Messfunktion eines Oszilloskops ab. Tragen

Sie die Messwerte in die Tabelle ein.

Hysteresespannung [V] Einschaltpunkt [V] Ausschaltpunkt [V]

0

1

2

4

8

6. Beschreiben der Funktion des Hysterese-Glieds






Ausgang CH2




Ausgang CH2




Ausgang CH2






Ausgang CH2




Ausgang CH2

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