Im Wandel der Zeit sinnvoll digitale Regelkreise mit Java benutzen

Programmierer und Hobby-Forscher aufgepasst! Hartmut Bakker und Co demonstrieren, wie digitale Regler zur Instabilität aufgrund von Totzeitverhalten und Grenzzyklen führen.

Die Regelungstheorie versucht allgemein gültige Aussagen über Regelungsorgane, Regelungsstrategien und zu regelnde Gebilde zu machen, und zwar ohne Rücksicht auf den speziellen Anwendungsfall. Dies ist natürlich nur auf der Basis idealisierter Annahmen möglich, was die Aussagekraft der Ergebnisse dieser Theorie einschränken kann. Arbeitsbereiche des Ingenieurs sind es Regelkreise zu entwerfen und bei technischen Geräten sowie Anlagen die Stoffmengen, Stoffeigenschaften, physikalische Zustandsgrößen als auch Energiemengen planmäßig zu beeinflussen, so dass ein beabsichtigter Erfolg erreicht wird.


Insgesamt zeigt sich, dass sehr viele potentiell sinnvolle Regelstrukturen bekannt sind. Im Einzelfall ist, meist anhand qualitativer Gesichtspunkte, abzuschätzen, welche Regeleinrichtung im Hinblick auf den notwendigen Entwurfs- und Realisierungsaufwand und auf die geforderte Regelgüte am günstigsten erscheint. Ist die Regelabweichung ungleich Null, d.h. stimmen Sollwert und Istwert nicht überein, muss der Ingenieur dank Erfahrungen abschätzen, wie Änderungen das Kreisverhalten beeinflussen. Im Ganzen sollte der Regler dafür sorgen, dass die Regelgröße -je nach angewendeten Algorithmus-  den Sollwert möglichst schnell erreicht und dass das System stabil bleibt.

Über den Autor:

Anhand von Fortschritten der Rechnertechnik werden in der Automatisierungstechnik zunehmend neue digital arbeitende Regelungssysteme fleißig eingesetzt. Das geforderte Kreisverhalten wird dabei mit programmierten Regelalgorithmen realisiert, die ein vollständiges Automatisierungssystem abbilden können. Vorteilhaft bei digitalen Regelungssystemen ist ein hoher Bedienungskomfort mit weitreichenden Steuerungsaufgaben in Verbindung mit aufwendigen Reglertypen inklusive großem Parameterbereich, wobei es keine Übertragungsfehler bei größeren Entfernungen gibt. Eine weitere Motivation zur Anwendung digital arbeitender Regelkreise ist die Speicherung digitaler Signale über längere Zeit ohne jeden Informationsverlust, jedoch sind die aufgrund der Zeitquantisierung entstehenden zusätzlichen Totzeiten sowie die bei zu großer Amplitudenquantisierung entstehenden Grenzzyklen zu berücksichtigen.

Zudem sind Verfahren für digitale Regelungssysteme entwickelt worden, die über den Rahmen der Optimierungs- und Berechnungsverfahren der analogen Regelungsstrategie hinausgehen. Angesichts der Flexibilität von Mikro- und Prozessrechnern können digitale Regelkreise implementiert werden, welche einfach nicht mit analoger Regelungstechnik zu realisieren sind. Bei äquidistanter Abtastung von analogen Signalen zu vorgegebenen Zeitpunkten wird nun die Zeit zwischen zwei Abtastungen als Abtastzeit oder Abtastperiode bezeichnet, womit zunächst ein zeitdiskretes und wertkontinuierliches analoges Signal entsteht. Da digitale Signale aufgrund der vorgebenden Wortbreite für die digitale Darstellung nur eine begrenzte Anzahl von Werten annehmen können, wird das Signal durch die Analog-Digital-Wandlung zusätzlich quantisiert. Es sollte sich letztlich ein zeit- und wertdiskretes Signal entwickeln.

Über die Autoren:

Die Analyse von dynamischen Systemen im Zeitsegment ist eine ganz normale Vorgehensweise in der Regelungstechnik und der Grundgedanke der Optimierung von Parametern ist die Qualität des Systemverhaltens zu bestimmen. Man kann sich jedoch vorstellen, dass es für die mannigfachen Problemstellungen bei verschiedenen Streckentypen kaum einen allgemeinen verwendbaren Güte-Index geben wird. Tendenziell werden die Systemeigenschaften rechnerisch und messtechnisch kontrolliert. Es wird davon ausgegangen, dass pauschal ein stabiles Kreisverhalten existiert und dass der Regler weiterhin von gewissen freien Parametern abhängt.

Außerdem können auf Grund der hohen Rechengeschwindigkeit digitale Regler mehrere Regelstrecken gleichzeitig im Zyklus bedienen, wobei sich eine ganze Reihe von Regelgrößen bei Autos verhältnismäßig angenehm in digitale Form überführen lassen. Eine grundsätzliche Problemstellung könnte eruiert werden mit „Projekt Messwertanalyse. Programmierung mit ohne Schnittstellen“, denn der nachfolgende Sachverhalt ( www.grin.com/de/e-book/90729/ ) zeigt eine Wissenschaft der gezielten Beeinflussung dynamischer Prozesse während des Prozessablaufs und in den meisten Fällen ist es nicht einfach das entsprechende Optimum zu finden.

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Direktlink zur Veröffentlichung: www.grin.com/de/e-book/90729/ (ISBN 978-3-640-10033-0)

 

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