- Rahman Jamal Hans Jaschinski (Hrsg.)

Virtuelle Instrumente - in der Praxis Begleitband zum Kongress VIP 2009

Rahman Jamal - Hans Jaschinski (Hrsg.)

VintueIIe Instrumente in der Praxis Messtechnik Automatisierung Begleitband zum Kongress VIP 2009

Virtuelle Instrumente in der Praxis VIP 2009

Regelungstechnik zum Begreifen - auch von der Ferne Jürgen Hönig

Fakultät Product Engineering/Wirtschaftsingenieurwesen, Hochschule Furtwangen

Kurzfassung Mit den Mitteln der aktuellen Studentenversion von LabVIEW wurde das Modell der Zusammenarbeit eines PID-Reglers mit einer Regelstrecke erstellt. Damit soll Studenten auf interaktive Weise eine Strategie zur Einstellung des Reglers auf eine Regelstrecke mit ver- änderbaren Parametern - auch von der Ferne aus - begreifbar gemacht werden. Dank des integrierten Webservers ist das virtuelle Instrument so aufbereitet, dass es (ggf. nach Instal- lation eines Plugins) von überall durch einen Browser ausgeführt werden kann - nicht nur im Unterricht oder Labor.

Abstract A PID-controller together with its controlled process have been modelled in LabVIEW. Thereby students are enabled to train interactively the strategy to adjust the controller's Parameters to the requirements of the process. Using the integrated web Server, the virtual instrument is published to be operated from anfihere via a browser - not only from within lecture or lab.

Einleitung Im betnebswirtschaftlichen Umfeld existieren überall feedback-Strukturen. Am Bekanntes- ten ist sicher das beer-game aus dem Bereich System Dynamics [I]. Enger zu fassen ist die Einbettung eines Waren-Lagers zwischen Verkauf und Produktion [2] oder der Preisbil- dungsprozess [3] als Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage. Deshalb ist im Curriculum des Studienganges Marketing und Vertrieb für Wirtschaftsingenieure das Fach Regelungs- technik aufgenommen. Weitere Studienschwerpunkte führen allerdings dazu, daß der Zeit- rahmen für Regelungstechnik eher knapp bemessen ist. Das vorliegende regelungstechnische Projekt will Studenten, die nicht so intensiv mit Technik an sich befasst sind, selbst erfahr- bare Auseinandersetzung mit einer in der Technik praktizierten Strategie ermöglichen: Es soll die Einstellung eines PID-Reglers auf eine gegebene Regelstrecke mit modifizierbaren Parametern geübt werden. Regelungstechnische Begründung und Abbildung auf nicht-tech- nische Bereiche erfolgen zu anderen Zeiten in Unterricht und Labor. Darüber hinaus gibt dieses Live-Projekt Anlass, den vielfältigen Nutzen des Produktes LabViEW zu vermitteln.

Jürgen Hönig

Das Projekt Regelungstechnik zum Begreifen - auch von der Ferne

Aufgabenbeschreibung Es existiert die dreistufige Strategie zur Einstellung eines PID-Reglers [4]:

P-Anteil von Null kommend vergrößern, bis nach subjektiver Einschätzung Anstiegsge- schwindigkeit und Regelabweichung der Sprungantwort befriedigen. Die Sprungantwort ist für eine PT2-Regelstrecke dabei schwach gedämpft periodisch (Bild 1). D-Anteil von Null kommend vergrößern, bis die Dämpfung der Sprungantwort befriedigt (Bild 2). I-Anteil von Null her kommend vergrößern, bis bei weiterhin befriedigenden Werten von Anstiegsgeschwindigkeit und Dämpfung die Regelabweichung im eingeschwungen< Zustand verschwindet.

Diese Strategie soll vom Studenten am eigenen PC erfahrbar werden, bevor das Verfahrt durch (umfangreichere) Rechnung begründet wird.

Z*, i i P ?P'

Bild 1 : P-Anteil Bild 2: D-Aiiteil Bild 3: 1-Anteil

Lösungsbeschreibung Das Blockdiagramm der Anordnung Regelstrecke, Regler, Soll-Istwertvergleich, Rechteckge- nerator wird mit den Mitteln von LabVlEW als virtuelles Instrument (W) abgebildet. Bild 4 zeigt dieses VI, das sich auf Grundlage der Darstellung in [5] unmittelbar aus dem regc lungstechnischen Blockdiagramm der Anordnung übertragen lässt.

Reqelunqstechnik zum Beqreifen - auch von der Ferne

Bild 4 : Blockdiagramm der Anordnung

Die Zuordnung zwischen Blockdiagramm und Übertragungsfunktionen für Regler und Stre- cke geschieht entsprechend dem allgemeinen Entwurf mit Zustandsvariablen (Bild 5).

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Bild 5: Blockdiagramm zur allgemeinen Übertragungsfunktion y(s)/u(s)

Als Beispiel ist die PT2-Strecke gemäß Bild 6 und der DT1-Teil des PID-Reglers in Bild 7 detailliert.

Jürgen Hönig

Bild 6: PT2-Regelstrecke Bild 7: DT1 -Teil des PID-Reglers

Die Übertragung in das Vi ist in Bild 4 in den Modulen Strecke mit PT2-Verhalten und PID- (Tl)- Regler erkennbar. Anpassung an andere (auch nicht-technische) Strecken und Regler ist somit leicht möglich - vorausgesetzt, es existieren mathematische Modelle für die Dyna- mik der beteiligten Objekte. Hinzufügung realer Hardware ist ebenso leicht möglich, wenn man die Vorschläge aus [6] aufgreift. , Mit dieser vorbereiteten Ausarbeitung wird jeder Student angesprochen, auch diejenigen, die gegen eine Installation irgendeiner Version von LabVIEW resistent sind. Hierzu wird über die Menüfolge »Werkzeuge, Optionen, VI-Server, Webservera das funktionierende VI veröffentlicht. Danach kann über einen Browser mit installiertem Plugin (RTE von Lab- VIEW, hier: Version 8.5) von jedem PC aus das Anliegen des Projektes „Regelungstechnik zum Begreifen" praktiziert werden. Für die Aktzeptanz wäre es wünschenswert, wenn der Zugriff zur Ausführung eines veröffentlichten V1 auch über Standard-Verfahren wie Java möglich wäre, um die Installation des RTE-Plugins zu vermeiden.

Wird reale Hardware integriert, dann ergibt sich ein nützlicher (Neben-) Effekt der geschil- derten Vorgehensweise: Ein ganz realer technischer Prozess wird von der Ferne beobacht- bar und bedienbar. Damit ist eine der Möglichkeiten zur physikalischen Realisierung von Diagnosesystemen zur Durchführung eines der Anliegen des Service-Engineering erschlos- sen. Dem Wirtschaftsingenieur der Vertiefung Service Engineering und Service Manage- ment wird somit ein leistungsfähiges Verfahren zur Realisierung vermittelt.

Zusammenfassung Das Panel aus Bild 8 ermöglicht es jedem Interessierten, über einen Browser die Strategie des Einstellens eines Reglers auf eine Strecke hin zu praktizieren.

Ist das Interesse des Anwenders geweckt, kann zur Regelungstechnik, nach Service-Engi- neering oder in die Technik des Erstellens eigener W's verzweigt werden. Zu Letzterem existieren einige Anleitungsfilme zur Erstellung von ,,3-Minuten-W's": Die Bediensequen- Zen zur Erzeugung von W's für die grafische Anzeige von Zufalls-Funktionen sowie Auf- nahme und Darstellung von Zeitfunktion und Fourier-Analyse von mit einer Soundkarte aufgenommenen Audiosignalen wurden mit einem Screen-Recorder dokumentiert und bei [7] veröffentlicht.

Regelungstechnik zum Begreifen - auch von der Ferne

Hier können Sie einen PID-Regler esperimentell einstellen.

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Dic w e n Knopfe pasrcn den PD-Rcglcr auf& S a c k e an

Bild 8: Dos über http://18ebuser,hs-furfwangen.de/-hoenigrt erreichbare Ponel

Literatur [ l ] Sterman, J. D.: Business Dynamits: Systems Thinking and Modeling for a Complex

World, Ch. 4: Structure and Behavior of Dynamic Systems. Boston, Irwin/McGrawHill 2000

[2] De Vuyst, F.: Simulation systeme par diagrammes blocs avec Scilab/Scicos. Kopie bei http://webuser.hs-furtwangen.de/-hoenig/rt/LabVIEW/scicos-devuyst.pdf

[3] Doerrscheid, F. und Latzel, W.: Grundlagen der Regelungstechnik. Stuttgart, Teubner 1993, 2. Aufl., Kap. 1.2.3: Ökonomische Regelungen

[4] Tietze, U. und Schenk, Ch.: Halbleiter-Schaltungstechnik. Berlin, Springer 2002, 12. Aufl., Kap. 22: Elektronische Regler

[5] Georgi, W. und Metin, E.: Einführung in LabVIEW. Leipzig, Hanser 2007, 3 . Aufl., Kap. 12: Differerenzialgleichungen

[6] Georgi, W. und Metin, E.: Einführung in LabVIEW. Leipzig, Hanser 2007, 3. Aufl., Kap. 15: Serielle EingabeIAusgabe

[7] Hönig, J.: LabVIEW in drei Minuten. Anleitungsfilme bei http://webuser.hs-furtwangen.de/-hoenig/rt/LabVIEW/