03 Photonenstromregelung
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Praktikum Grundlagen Regelungstechnik Versuch P-GRT 03 Versuch 3 – Photonenstromregelung Versuchsziel Untersuchung vom Führungs- und Störverhalten Datum Versuchsdurchführung: Datum Protokoll: Versuchsgruppe: Bearbeiter Matrikel Set Bewertung des Protokolls: Datum, Unterschrift V3_SS2014_R006 Bewertung Kolloquium 1 Grundlagen Eine Regelung reagiert bei einer Änderung der Führungsgröße anders als bei einer Störung, obwohl beides eine Ist-Wertänderung hervorruft. Daher ist bei der Auswahl des Reglers und dessen Zeitverhalten darauf zu achten, ob dieser für ein gutes Führungsverhalten oder ein gutes Störungsverhalten verwendet werden soll. Gutes Führungsverhalten wird bei Prozessen wie unter anderen bei der Drehzahlregelung von Motoren benötigt. Gutes Störverhalten wird dagegen bei Prozessen mit Temperaturregelung benötigt. In Abbildung 1 ist eine zeitliche Kennlinie zu sehen, bei dem der Sollwert an der Stelle t0 einen Sprung von 0 auf ausführt. Dies entspricht einer schnellen Führungsgrößenänderung. Abbildung 1: Führungsverhalten In Abbildung 2 ist wiederum eine Zeitliche Kennlinie zu sehen bei dem eine Sprungartige Störgröße den Prozess beeinflusst. Dies entspricht einer schnellen Störgrößenänderung. Abbildung 2: Störungsverhalten Mit diesen Verhalten können verschiedene Regler und Reglerparameter miteinander verglichen werden, um die besten Reglerparameter davon auszuwählen. V3_SS2014_R006 -2- 2 Versuchsaufbau Am Arbeitsplatz (MELAB05) befindet sich ein aufgebauter Photonenstromregelkreis. Dieser besteht aus einer Photonenstromregelstrecke, einem PID Regler, einem Sollwertgeber und einem Leistungsverstärker. Der PID Regler kann jeweils durch Anund Abschalten der I- und D-Komponenten als P-, PI-, PD- oder PID-Regler verwendet werden. Die Photonenstromregelstrecke besteht aus drei Glühlampen und einer Photodiode zur Photonenstrommessung. Die Photodiode befindet sich in der Mitte der drei Glühlampen, wodurch diese eine Summation des Photonenstroms der drei Glühlampen misst. Eine dieser drei Lampen ist am Leistungsverstärker angeschlossen und wird über den PID-Regler gesteuert. Die anderen zwei Lampen dienen als Störgröße in der Reglung. Dabei wird die zweite Lampe entweder über ein Potentiometer oder über einen analogen Eingang gesteuert. Die dritte Lampe wird über einen digitalen TTL Eingang gesteuert und ist damit nicht relevant für diesen Versuch. Zusätzlich zum Photonenstrom der drei Lampen, leuchtet der Photonenstrom des Umgebungslichts durch die im Gehäuse verbaute Plexiglasscheibe. Dieser Photonenstrom ergibt dabei, für die Regelung, eine permanente Störgröße. Das von der Photodiode kommende Spannungssignal ist proportional zum Photonenstrom. Dieses Signal wird für die Reglung der Photonenstromregelstrecke benutzt und ist am Minuseingang des PID-Reglers angeschlossen. Der Sollwertgeber ist wiederum mit dem positiven Eingang des PID-Reglers verbunden. Die Messung der Werte erfolgt über das PROFI-CASSY Modul, welches mit der Software „CASSY Lab“ auf dem PC kommuniziert. In der „CASSY Lab“ Software lassen sich zeitliche Verläufe der Regelgröße ( ), der Stellgröße ( ) und der Führungsgröße ( ) darstellen. Bei Verständnisproblemen zu den einzelnen Baugruppen sind die einzelnen Bedienungsanleitungen von LD Didactic zu studieren. V3_SS2014_R006 -3- 3 Sicherheitshinweise - Achtsamer Umgang mit Spannungen. - Beim Umbau immer für Spannungsfreiheit sorgen. - Achten Sie darauf, dass am Ausgang des PROFI-CASSY Moduls auch Spannungen anliegen können, wenn keine Messung läuft. 4 Versuchsvorbereitung a. Beschreiben Sie das Wendetangentenverfahren. b. Erarbeiten Sie sich die Einstellregeln nach Ziegler-Nichols und Chien, Hrones und Reswick. c. Wann kann das Verfahren nach Ziegler-Nichols nicht verwendet werden? d. Überlegen Sie sich das Streckenverhalten einer Photonenstromregelstrecke, wenn eine Glühlampe als Quelle und eine Photodiode als Senke verwendet wird. e. Welches Problem kann bei einer Reglung von der o.g. Photonenstromregelstrecke und analogen PID Reglern auftreten? 5 Versuch 1: Reglereinstellung 5.1 Zielsetzung Aufnahme der Streckenparameter und Bestimmung der Reglerparameter. a. Bestimmen Sie den Typ der Photonenstromregelstrecke. b. Erläutern Sie die Besonderheit der Photonenstromregelstrecke beim Messen einer Sprungantwort. c. Bestimmen Sie die Streckenparameter der Photonenstromregelstrecke. d. Wählen Sie einen Reglertyp für die Strecke aus und begründen Sie Ihre Wahl. (P,PI,PD,PID) e. Bestimmen Sie die Reglerparameter nach einer von Ihnen gewählten Einstellregel. Begründen Sie warum die von Ihnen gewählte Einstellregel verwendet worden ist. 5.2 Durchführung Zur Bestimmung der Strecke und der Streckenparameter wird der PID-Regler und Sollwertgeber nicht benötigt. Trennen Sie dazu den Ausgang des Reglers von dem Eingang des Leistungsverstärkers und den Ausgang für den Photonenstrom von dem Minuseingang des Reglers. Der Leistungsverstärker bleibt weiterhin mit der Photonenstromregelstrecke verbunden. Zum Messen der Zeitverläufe wird das PROFICASSY Modul verwendet. Verbinden Sie dazu den Ausgang X des PROFI-CASSY Moduls mit dem Eingang der Leistungsendstufe und den Ausgang der Photonenstromregelstrecke mit dem Eingang A des PROFI-CASSY Moduls. Starten sie nach dem Umbau das Programm „Cassy Lab“. Messen Sie jetzt die StreckensprungantV3_SS2014_R006 -4- wort mit einem Sprung von 0V auf 5V und bestimmen Sie anschließend die Streckenparameter. 6 Versuch 2: Führungsverhalten 6.1 Zielsetzung Aufnahme und Bestimmung der Kennwerte vom Führungsverhalten. a. Nehmen Sie mit den von Ihnen aus 5.1e bestimmten Regler-Parametern das Führungsverhalten mit = 5 auf. (Sollwert, Regelgröße) b. Bestimmen und Kennzeichnen Sie in dem Diagramm die Überschwingweite ü , die Anregelzeit und die Ausregelzeit , wenn das Toleranzband ±0,01V beträgt. c. Bestimmen Sie, wenn vorhanden, die Resonanzfrequenz des Regelkreises im Führungsverhalten. 6.2 Durchführung Bauen Sie zur Bestimmung des Führungsverhaltens den Regler in den Versuchsaufbau wieder ein. Trennen Sie dazu die Verbindungen zwischen den PROFI-CASSY Modul und der Photonenstromregelstrecke auf. Verbinden Sie anschließend den Ausgang des Reglers mit dem Eingang des Leistungsverstärkers und den Ausgang für den Photonenstrom mit dem Minuseingang des PID-Reglers. Zusätzlich wird an dem Pluseingang für den PID-Regler der Sollwertgeber angeschlossen. Zum Messen der Kennlinie wird vom PROFI-CASSY Modul der Ausgang X und der Eingang A benötigt. Der Ausgang X wird wiederum mit dem Referenzeingang des Sollwertgebers verbunden. Weiterhin wird der Eingang A mit dem Ausgang für den Photonenstrom der Photonenstromregelstrecke verbunden. Benutzen Sie, nach dem Aufbau des Regelkreises, Ihre selbst bestimmten Reglerparameter aus 5.1e und stellen Sie diese über die Potentiometer am PID-Regler ein. Stellen Sie am Sollwertgeber eine Spannung von 5V ein und überprüfen Sie ob der Regelkreis schwingt. Wenn der Regelkreis sich aufschwingt, überprüfen Sie ihre komplette Regelung. Ansonsten schalten Sie am Sollwertgeber auf die Referenzspannung um (PROFI CASSY Ausgang X) und nehmen Sie das Führungsverhalten von der gesamten Reglung auf. Im Anschluss bestimmen Sie die geforderten Werte. V3_SS2014_R006 -5- 7 Versuch 3: Aufnahme des Störverhalten Aufnahme und Bestimmung der Kennwerte vom Störverhalten. 7.1 Zielsetzung a. Nehmen Sie mit denen von Ihnen aus 5.1e bestimmten Regler-Parametern das Störungsverhalten = 5 auf. (Sollwert, Störgröße, Regelgröße) b. Bestimmen und Kennzeichnen Sie in dem Diagramm die Überschwingweite ü , die Anregelzeit und die Ausregelzeit , wenn das Toleranzband ±0,01V beträgt. c. Bestimmen Sie, wenn vorhanden, die Eigenfrequenz des Regelkreises im Störverhalten. 7.2 Durchführung Für die Bestimmung des Störverhaltens wird der Versuchsaufbau ein klein wenig abgeändert. Der Ausgang X vom PROFI-CASSY Modul wird dazu mit dem Eingang Z1 von der Photonenstromregelstrecke verbunden und der Schalter für die Störgröße auf Z1 gestellt. Weiterhin wird am Sollwertgeber eine Spannung von 5V eingestellt und zum positiven Eingang des Reglers geschaltet. Nehmen Sie im Anschluss das Störverhalten von der gesamten Regelung auf und bestimmen Sie die geforderten Werte. 8 Auswertung a. Vergleichen Sie tabellarisch die An- und Ausregelzeit, Überschwingweite und die Resonanzfrequenz beider Regelarten. b. Welche Unterschiede können Sie feststellen und wodurch werden diese hervorgerufen? c. Welches Verhalten (Führung, Störung) kann Ihr berechneter Regler besser ausregeln? Begründen Sie dies! d. Notieren sie zufällige Messfehler für diesen Versuch. e. Notieren sie systematische Messfehler für diesen Versuch. V3_SS2014_R006 -6-
