Grundlagen Regelungstechnik

38 Pages·2016·3.13 MB·German

Grundlagen Regelungstechnik
Arbeitsbuch
TP 1013
Mit CD-ROM
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(cid:31)
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V °C
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Festo Didactic
8023436 de
Bestell-Nr.: 8023436
Stand: 08/2014
Autor: Jürgen Helmich*
Redaktion: Frank Ebel
Grafik: Anika Kuhn, Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger
Layout: 10/2014, Susanne Durz, Frank Ebel, Beatrice Huber

* ADIRO Automatisierungstechnik GmbH
Limburgstraße 40
73734 Esslingen
Deutschland

© Festo Didactic SE, Rechbergstraße 3, 73770 Denkendorf, Deutschland, 2015
Alle Rechte vorbehalten.
[phone] www.festo-didactic.com
[phone] [email protected]

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.

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.
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 7: Untersuchen eines Regelkreises aus P- oder I-Glied als Regler und PT2-Glied als Strecke ___ 55
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
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 7: Untersuchen eines Regelkreises aus P- oder I-Glied als Regler und PT2-Glied als Strecke ___ 55
Aufgabe 8: Analysieren eines Differenzier-Glieds und untersuchen eines PID-Reglers ________________ 67
Aufgabe 9: Einstellen eines Reglers nach Ziegler-Nichols ________________________________________ 77

Verständnisfragen _________________________________________________________________________ 85

© Festo Didactic 8023436 III
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.

IV © Festo Didactic 8023436
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.

© Festo Didactic 8023436 V
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 Tipps, Anregungen oder Vorschläge zur Verbesserung dieses Arbeitsbuchs?

Dann senden Sie diese bitte per E-Mail an [email protected].
Die Autoren und Festo Didactic freuen sich auf Ihre Rückmeldung.

VI © Festo Didactic 8023436
Einleitung

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

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Arbeits- und Sicherheitshinweise

Allgemein
• Die Auszubildenden dürfen nur unter Aufsicht einer Ausbilderin/eines Ausbilders an den Schaltungen
arbeiten.
• Der Labor- oder Unterrichtsraum muss durch Fehlerstromschutzeinrichtungen (RCD) geschützt werden.
– Betreiben Sie elektrische Geräte (z. B. Netzgeräte, Verdichter, Hydraulikaggregate) nur in
Ausbildungsräumen, die mit einer Fehlerstromschutzeinrichtung ausgestattet sind.
– Als Fehlerstromschutzeinrichtung ist ein RCD-Schutzschalter mit Differenzstrom ≤ 30 mA, Typ B
zu verwenden.
• Beachten Sie die Angaben der Datenblätter zu den einzelnen Komponenten, insbesondere auch alle
Hinweise zur Sicherheit!
• Störungen, die die Sicherheit beeinträchtigen können, dürfen nicht erzeugt werden.
• Tragen Sie Ihre persönliche Schutzausrüstung (Schutzbrille, Gehörschutz, Sicherheitsschuhe), wenn Sie
an den Schaltungen arbeiten.

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.

VIII © Festo Didactic 8023436
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.

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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.

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