• Ausgewählte, sich zeitlich verändernde, Werte in einem technischen System konstant gegen Störgrößen halten

• bei Änderung der Führungsgröße diesem Wert schnell folgen können

• Kompensieren von auftretenden Störgrößen im System

• Möglichkeit: im Gebäude energieeffizient und -sparend zu arbeiten

Beeinflussung eines sich zeitlich verändernden (technischen) Prozesses, so dass dieser in einer vorbestimmten Weise abläuft auch gegen Störeinflüsse von außen, z.B. Änderungen der Führungsgröße, Kompensation von Störgrößen

1. Messen des Istwerts der Regelgröße

2. Vergleichen des Istwerts der Regelgröße mit der Führungsgröße

3. Erzeugen der Stellgröße (Zeitverhalten und Größe)

4. Stellvorgang

5. Messen des Istwerts der Regelgröße

   
   

Vorteile einer Steuerung:

• Schnelligkeit

• Geringere Investitionen in Hardware (z.B. Messeinrichtungen)

• Keine auftretenden Schwingungen durch Rückkopplung

Nachteiler einer Steuerung:

• keine Überprüfung, ob die Führungsgröße erreicht wurde

• Keine Kompensation von Störungen

• Keine Berücksichtigung des tatsächlichen Prozesszustands

• Studium der Funktionsweise der Anlage, z.B. mit Hilfe des Anlagenschemas

• Aufnahme der Streckenkennlinie:

  • Sprungfunktionen der Stellgröße y als Eingangssignal auf die Strecke geben und zeitlichen Verlauf der Regelgröße x aufnehmen, Endwert ermitteln und damit Bildung des ersten Wertepaares der Anlagenkennlinie x = f(y)

  • Anlagenkennlinie für möglichst viele Stellgrößenwerte aufnehmen

  • Arbeitspunkt festlegen, Kennlinie linearisieren

  • Charakteristische Größen der Strecke festlegen, z.B. bei PTn-Strecke KPS, Tu, Tg Schwierigkeitsgrad

• Mit Hilfe eines Simulationsprogramms eine Simulation der Strecke und den Einfluss von Störgrößen durchführen

• Regelstrategie festlegen: Gewichtung von z.B. bleibender Regeldifferenz, Antwort-/Reaktionszeit für die Stellgröße, Zulässiges Verhalten der Strecke: Überschwingweite, An- und Ausregelzeit → Auswahl des Reglers 3

• Einstellen der optimalen Reglerparameter:

  • Simulation des Regelkreises und Optimierung der Parameter mit Hilfe von Tuning-Funktionalität der Simulationsprogramme

  • Oder Einstellregeln von Chien, Hrones, Reswick resp. Ziegler, Nichols

• Bei nicht-linearer Anlagenkennlinie auf den größten Wert von KPS für Stabilitätsuntersuchungen achten (V0= KPSKPR) und Wert von KPR kontrollieren bzw. verkleinern

Bei der Aufnahme der Kennlinie müssen die Umgebungsvariablen konstant bleiben, dies gilt insbesondere für den Zustand der Störgrößen.

Größe, welche die Regelgröße unerwünscht ändert

• Außentemperatur

• innere/solare Gewinne

• Änderungen des Vordrucks im Heizungskreislauf

Erkenntnisse:

• Anfahren auf Sollwert

• Störungsverhalten: Ausregeln einer Störung

• Führungsverhalten: Folgen auf eine Änderung der Führungsgröße

Bewertung: Zufriedenstellende Einstellung des Reglers, da

• Keine bleibende Regelabweichung durch Störung

• Regelgröße folgt schnell und mit nur leichtem Überschwingen der Führungsgröße

• Streckenanalyse nicht ausreichend, z.B. ungenügende Berücksichtigung von Nichtlinearitäten

• Verzögerungszeiten haben sich mit der Zeit verändert, z.B. durch Änderung von Komponenten, mit der Zeit abnehmendem Wärmeübergang, usw.

• Totzeiten haben sich mit der Zeit verändert, z.B. durch Teillastbetrieb und Auslegung bei Volllast, usw.

• Arbeitspunktverschiebung mit neuem KPS und Überschreiten der kritischen Kreisverstärkung

• Umbauten der Regelstrecke, Einbau von zusätzlichen Komponenten, oder Ersatz von Komponenten mit unterschiedlichen Eigenschaften

• Verstellung der Reglerparameter

Der Teil der Anlage, dessen Ausgangsgröße geregelt werden soll. Er beginnt am Stellort und Endet am Messort. Die Regelstrecke ist der Teil des Regelkreises, an dem Strögrößen angreifen.

• Wegen V0 = KPS KPR kann durch Verkleinern von XhS , z.B. Aufteilen in zwei Regelkreise, die Stabilität und Unempfindlichkeit gegen Schwingungen, erhöht werden

• Beispiel Klimaanlage: Temperaturerwärmung durch zwei Erhitzer (Temperaturbereich I und II) führt zu einer Verringerung von KPS in beiden Kreisen und damit zu einer Erhöhung der Stabilität

1. Untersuchung Funktionsweise

2. Sprungantwort aufnehmen

3. Charakteristischen Größen der Regelstrecke ablesen (Kps, Tu, Tg)

4. Wahl Regelalgorithmus (P/PI/PID) (KPR, KIR, KDR)

5. Regelparameter

6. Gütekriterien bestimmen

• verstellen der Regelparameter/ Verschiebung des Arbeitspunktes —> Änderung von KPR —> Änderung V0

• Austausch von Bauteilen —> KPS verändert —> Änderung V0

• Verschleiß von Bauteilen (Anbackung oder Verschmutzung) —> KPS verändert —> Änderung V0

wenn was instabil ist, immer über V0 argumentieren

V0 (Kreisverstärkung) = KPR*KPS

Für Regler mit I-Anteil verschwindet die bleibende Regelabweichung: die Reglerkennlinie verläuft demnach parallel zur Stellgrößenachse durch den Sollwert.

Die folgende Vorgehensweise beruht auf das Anfahren des Regelkreises an der Stabilitätsgrenze, um so die kritischen Parameter bestimmen zu können, bei denen das System gerade anfängt zu schwingen.

• Anlage in den Arbeitspunkt fahren

• Anlage wird auf einen P-Regler mit kleinstmöglicher Verstärkung eingestellt (bei einem PID-Regler werden der I- und D- bzw. der Tn- und der Tv-Anteil auf null gesetzt)

• Regelstrecke in den gewünschten Arbeitspunkt bringen, Stellgröße des Reglers auf den von Hand vorgegebenen Wert einstellen und auf Automatikbetrieb umschalten

• KP solange vergrößern, bis eine harmonische Schwingungen entstehen ⇒ KPR,Krit (kritische Reglerverstärkung)

• Schwingungsdauer messen → TKrit

• Optimale Parameter aus Tabelle übernehmen

Vorteile:

• kein praktischer Aufwand (Streckenanalyse und CHR)

Nachteile:

• DGL aufstellen —> Simulation

  
  

Vorteil:

• Ermittlung der optimalen Reglerparameter an real existierenden Anlagen

• Parameter beruhen auf realen Werten und nicht auf Annäherungen

Nachteil:

• Ungeeignet für Anlagen, die nicht an den Rand der Stabilität gefahren werden können

• Verfahren ist nicht zufriedenstellend für Strecken hoher Ordnung mit ausgeprägtem Totzeitverhalten

• Regelkreis an den Arbeitspunkt fahren

• Regelkreis öffnen und Stellgröße von Hand sprungartig verändern

• Sprungantwort der Strecke aufnehmen

• KPS, Tu, Tg aus Strecke ermitteln

• Differenzierung in:

  • Störungs-/ Führungsverhalten

  • Zeitverhalten

    • Aperiodischer Grenzfall

    • Gedämpfte Schwingung mit 20 % Überschwingung

• Optimale Parameter aus Tabelle übernehmen

Vorteile:

• Differenzierung zwischen Stör- und Führungsverhalten

• Gute Optimierung für Strecken höherer Ordnung (S > 0,33) um den Arbeitspunkt

• Regelkreis muss nicht zum Schwingen gebracht werden

Nachteile:

• Arbeitspunktabhängigkeit bei nichtlinearen Anlagenkennlinien

• Parameter sind nicht exakt, da eine Näherung bzw. Modellbildung durch das Abstrahieren der Strecke in ein PT1-Glied und ein Tt-Glied geschieht.

• praktischer Ansatz (Messen der Sprungantwort) —> Ermittlung Regelstrecken Kenngrößen

• KPS: Übertragungsbeiwert

• Tu: Verzugszeit

• Tg: Ausgleichszeit

• Vorlauftemperatur steigt: Tu und Tg sinken

  • Tangente steiler, weil höhere Temperaturdiffernez zwischen Raum und Rohr

• Kps= delta Raumtemperatur/ H —> Kps steigt wenn VL-Temperatur steigt, weil delta Raum größer wird und deltaH constant

P-Regler:

• Takten

• bleibende Regelndifferenz

PI-Regler:

• P-Anteil wird kleiner, I-Anteil größer

• keine bleibende Regeldifferenz durch I-Anteil

• dynamisches Regelverhalten

PID-Regler:

• D-Anteil am Anfang groß (wirksam)

• Führungsgröße wird schneller erreicht —> hohe Regeldynamik

• keine bleibende Regeldifferenz durch I-Anteil

  
  

Der Schwirigkeitsgrad gibt Auskunft darüber, wie stabil das System ist. Dementsprechend wird der richitge Regler gewählt.

Um Totzeit-Strecken (Tt-Glieder) verhindern zu können, kommt es auf einen günstigen Aufbau der Strecke an. Damit ist z. B. eine gute Platzierung des Sensors gemeint.

Problem der Totzeit: das System arbeitet, währende die Totzeit überwunden wird, blind! Das heißt, der Regler weiß nicht, ob die Regeldifferenz schon ausgeglichen ist oder nicht.

• Störgrößen, die zu Beginn der Strecke auftreten frühzeitig zu erfassen und zu eliminieren.

• Die Ausgangsgröße des Hauptreglers ist Führungsgröße des Hilfs- bzw. Folgereglers.

• Somit erfolgt eine Zerlegung des Regelkreises in zwei Teile: Master- (Hauptregler) & Slave- (Hilfsregler) Kreis (Vermaschung, Mehrschleifigkeit).

Nachstellzeit:

• Zeit, die der I-Anteil benötigt, um den Wert des P-Anteils zu erreichen

• um wie viel Zeit der I-Anteil “hinterherhenkt”

Vorhaltzeit:

• Zeit, die der P-Anteil benötigt, um den Wert des D-Anteils zu erreichen

• um wie viel Zeit der D-Anteil “voreilt”