Automatisierungstechnik

Laser-Triangualation mit CCD-Aufnehmer

• Reflektierter Laserstrahl verschiebt sich mit dem Abstand der Oberfläche vom Sensor
• Erfassung dieser Verschiebung durch CCD-Zeile
• empfindlichkeit optimal bei 45° , jedoch abängig von der Messkontur
• berührungslos
• trägheitslos
• eventuelle Abschattungsprobleme
• CCD = Charge Coupled Devie

Ultraschall-Abstandssensoren

• Ultraschall wird an Grenzflächen stark verstärkt
• Piezoelektrischer Wandler erzeugt Ultraschallimpuls
• Wird danach umgeschaltet und nimmt Echosignal auf
• Blindbereich bei kurzen Abständen, weil Echo vom Sendeimpuls getrennt sein muss
• bis einige Meter
• Ultraschallfrequenz --> 60 ... 400 kHz
• Pulswiederholungsfrequenz 14 ... 140 kHz

Infrarotsensoren

Ultraschallsensoren

Einweglichtschranke

Relexlichtschranke

Reflexlichttaster

Messung dieser Eigenschaft durch Dehnungsmessstreifen (DMS)

• Trägerfolie mit feiner mäanderförmigen Leiterstruktur aus dünnstem Draht oder einer strukturierten Metallfolie

Dehnung:

• Messung durch proporionale Widerstandsänderung

Kraftmessung

• Messung durch Federgesetz
• F = c •x = (E • A) / l • dl

Druckmessung:

• Messung durch Membran & DMS

Widerstandsthermometer

• Widerstand R steigt mit Temperatur t
• Messbereich: -200 °C bis +500 °C
• typische Empfindlichkeit: 0,4 Ώ/°K
• gut geeignet ► Platin (lineare Kennlinie)

Thermoelement

• einseitig verbundene, geeignete Metalpaarungen generieren bei Erwärmung dieser Verbindungstselle eine "Thermospannung"
• Messbereich: -200 °C bis +1500
• Empfindlichkeit: 4,25 mV / 100°K
• weniger genau 
• schnelleres Ansprechen als Widerstandsthermometer

Infrarotsensor

• Jedes warmes / heißes Objekt sendet infrarote elektromagnetische Strahlung ab
• Der Sensor wirkt als Empfänger dieser Strahlung
• Aufbau:
  • Halbleiter
  • schaltender "binär" Sensor
• keine Berührung des Objektes notwendig
• schnell

1. Analogausgang 
   • analoges normiertes elektrisches Messsignal
2. Digitalausgang
   • digitals Messsignal durch AD Wandler
3. Binärausgang
   • binäres Messsignal

Anforderungen:

• Empfindlichkeit erforderlich
• sichere Funktion bei Hitze, Schmutz/Staub, Erschütterung, sonstige Störungen
• Dauereinsatz / hohe Lebensdauer

schaltende Sensorsysteme wichtig

Berührungslose Sensorsysteme ohne bewegliche Komponenten

Kalibrieren:

• Ist die Bestimmung des Zusammenhangs von Messsignal und Messgrößen

Eicheln

• ist Prüf - und Betätigungsvorgang der staatlichen Eichbehörde nach gesetzlichen Vorschriften (amtlicher Vorgang!)

• Bei der Reglerauswahl - / einstellung ist ein stabiles Verhalten von Regelkreisen sicherzustellen
• Ein dynamisches System (hier Regelkreis) ist stabil, wenn es bei beliebiger Anregung mit abklingenden Schwingungen reagiert
• Aufklingende Schwingung zeigen Instabilität an
• stationäre Schwingungen (mit konstanter Amplitude) markieren die Stabilitätsgrenze

Bei der Festwertregelung versucht der Regeler stets den Istwert mit dem Sollwert in Übereinstimmung zu bringen.

Bsp. Abstand der Laserstrahlregelung zur Werksütcksoberfläche

Bei einer Folgeregelung bewirkt der Regler, dass die Regelgröße dem vorgegebenen Führungsgrößenverlauf folgt.

Bsp. Lagerregelung (Positionsegelung) für NC-Maschinen

• P-Glieder erzeugen ein Ausgangssignal S₂ das proportional zum Eingangssgnal S₁ ist
• K_p = Verstärkungsfaktor oder Proportionalbeiwert
• S₂ = K_{p x} S₁

_{Bsp. Getriebe für Drehzahlversärkung oder Getriebe für die Drehmomentverstärkung}

• Proportionalglieder mit Verzögerung 1.Ordnung sind gekennzeichnet durch einen Energiespeicher und einer Zeitkonstante
• Bsp. Druckbehälter wird über ein Ventil gefüllt
• PT1-Glieder glätten schnell wechselnde Signale
  • bei hohen Frequenzen wird die Ausgangsamplitude sehr klein
  • die Ladung und Entladung des Energiespeichers kann dem schnellen Wechsel nicht folgen
• PT1-Glieder erzeugen eine Phasenverschiebung zwischen Eingangs - und Ausgangssignal
  • PT1-Glieder werden auch Tiefpassfilter 1.Ordnung genannt
  • sie lassen tiefe Frequnzen passieren
  • unterdrücken hohe Frequenzen

Frequenzgang F(jw) ist das Verhältnis des Zeigers der sinusförmigen Ausgangsgröße zum Zeiger der sinusförmigen Eingangsgröße S₂/S₁ im eingeschwungenen Zustand

Meßtechnisch oder durch DGL erfassbar

Der Frequenzgang stellt nur einen Ausschnitt der Gesamtübertragungsfunktion dar

• An der Ausgangsfunktion werden Amplitudenhöhen x_a und der Phasenverschiebungswinkel (Phi) gemessen.
• Gemessen an verschiedenen Kreisfunktionen (omega) ergeben sich verschiedene Ortskurven, die in einem Diagramm dargestellt die Funktion des Frequenzgangs ergeben
• Werden Amplitudenverhältnis und Phasenlage für den Frequenzbereich (omega = 0) bis (omega = unendlich) als Zeiger in die Gauß'sche Zahlenebene eingetragen und die Endpunkte aller Zeiger miteinander verbunden, so erhält man die Ortskurve des Frequenzgangs
• auch Nyquist-Diagramm genannt

• Amplitudenverhältnis und Phasenverschiebung werden getrennt als Funktion der Kreisfrequenz behandelt
• Kreisfrequenz und Amplitudenverhältnis werden logarithmisch aufgetragen
• Phasenverschiebung bekommt einen linearen Maßstab

• Die Kennlinie ist normalerweise nicht linear
• Zur vereinfachung legt man eine Tangente an den Arbeitspunkt an
• Die Steigung der Tangenten ist der Übertragungsbeiwert K

• Gleichspannungsdifferenzierverstärker
• Aktives Bauteil mit Verstärkung
• Braucht Hilfsenergie
• Hat 2 Eingänge die das Vorzeichen umdrehen
• Sehr hohen Eigenwiderstand
• Verstärkung über Rückkopplung
•  

• Regelung mittels Hilfsregelgröße über zusätzlichen Regler
• Störungen im Eingangsbreich der Strecke werden schnell im inneren Regelkreis durch den Folgeregler R₂ ausgeregelt, auf den der Ausgang der Führungsregler R₁ als Führungsgröße wirkt
• deutliche Verbesserung der Regeldynamik wenn:
  • sich wesentliche Störungen stark auf x_H auswirken
  • Die Zeitkonstante von S₁ wesentlich kleiner als die Gesamtzeitkonstante ist 
• zwei vermaschte Regelkreise wobei einer den anderen überlagert ist
• Das Zusammenwirken beider Regler funktioniert nur dann, wenn
  • Der untergeordnete Regelkreis ein schnelleres Zeitverhalten hat als der übergeordnete Kreis aufweist
  • die wesentlichen Verzögerungen in den Teilstrecken des äußeren Kreises enthalten sind
• Vom Standpunkt des übergeordneten Kreises ist der untergeordnete Kreis mit seinem Führungsverhalten nur ein schnelles Stellglied des übergeordneten Kreis
• Vom Standpunkt des untergeordneten schnelleren Kreises ist der übergeordnete langsame Kreis nur als Sollwerteinsteller zu betrachten, der so langsam ist, dass der Sollwert als nahezu konstant gelten kann

• Bei Unterschreitung einer gewissen Regelabweichung xw wird die Stellgröße y zu klein
• Es ist möglich die bleibende Regeldifferenz xwb zu verringern durch die Vergrößerung von Kpr (Propoptionalbeiwert oder Verstärkungsfaktor)
• Nachteil: P-Regler greift hart ein
  • geringe Verstellung wird sofort und hart umgesetzt
  • kann zu Schwingungen und Instabilität führen
• Lösung:
  • I-Glied mit einbringen
  • durch I-Glied wird die Regeldifferenz nach einer gewissen Zeit ausgeglichen - dauerhaft
  • y= KPR * xw + KIR * xw * t

Kehrwert der Integrationszeitkonstanten Ti

Anstiegeschwindigkeit der Ausgangs 

• Die Größe des Dämpfungsgrades gibt an ob sich das Ausgangssignal kriechend oder schwingend an das Eingangssignal annähert
• D = 0 ungedämpfte Schwingung
• 0<D<1 gedämpfte Schwingung
• D > 1 kriechend

• Verzögerung 2. Ordnung
• Strecken mit Verzögerung haben mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeicher
• Bsp. Druckbehälter
• S-förmige Sprungantwort als Übergangsfunktion
• Sprungantwort abhängig vom Verhältnis der Zeitkonstanten T1/2 x T2 = D

Zeit zwischen dem Beginn des Eingangssprungs und dem Schnittpunkt der Wendetangente und der t-Achse.

Zeit zwischen den beiden Schnittpunkten der Wendetangente mit der t-Achse und der 100 % Linie (Beharrungswert)

• PI-Regler
• Die Nachstellzeit ist ein Maß dafür wie stark die zeitliche Dauer der Regelabweichung in die Regelung eingreift
• Verbindet Ki mit Kp
• Tn=Kp/Ki
• Die Nachstellzeit benötigt der PI-Regler um mit seinem I-Anteil den gleichen Spannungshub am Ausgang zu erzeugen, wie er ihn durch den P-Anteil im Sprungmoment der Eingangsspannung sofort erhält

Regeln

• Die Regelgröße wird fortlaufend erfasst und mit der Führungsgröße verglichen und bei einer Abweichung an die Führungsgröße angeglichen
• geschlossener Wirkungskreislauf

Steuern

• Die Ausgangsgröße wird von der Eingangsgröße beeinflusst
• Die Ausgangsgröße wirkt auf die Eingangsgröße nicht zurück
• Die Steuerung hat einen offenen Wirkungsablauf

Führungsverhalten

• Abhängikeit der Regelgröße (x) von der Führungsgröße (w) bei der Abwesenheit von Störgrößen (z)
• z1 & z2 =0
• x = Fs * y ;
• y = Fr ( w – x ) →
• x = Fs Fr ( w – x ) →
• x ( 1 + Fs Fr ) = w Fs Fr
• x / w = Fs Fr / 1 + Fs Fr →
• (Ziel) 1 „Führungsübertragungsfunktion“

Störverhalten

• Abhängigkeit der Regelgröße (x) von den Störgrößen (z1,Z2) bei konstantem Sollwert (w)
• x = z2 + Fs ( z1 + y )
• x = z2 + Fs ( z1 + Fr ( w – x)
• x = Fs / 1 + Fs Fr * z1 + 1 / 1 + Fs Fr * z2 + Fs Fr / 1 + Fs Fr * w

  Ziel: → 0 → 0

  „Störungsübertragungsfunktion“

• Die bleibende Regelabweichung tritt bei allen P-Reglern
• Die benötigte Regeldifferenz zwischen Ein-und Ausgang wird so klein, dass sie die Stellgröße nicht mehr beeinflussen kann
• Der Sollwert wird nie ganz erreicht
• Abhilfe schafft man mit I-Gliedern bzw. mit PI-Reglern
• Der I-Anteil erreicht den Sollwert, aber mit kurver Verzögerung

Zu 1.

• Verstärkung / Erhöhung des P-Reglers
• Einsetzen eines PI-Reglers

Zu 2.

• Führt zu Überschwingungen
• P-Regler greift sofort ein
• I-Anteil macht Regler langsam

Differenz zwischen Regelgröße (x) und Führungsgröße (w)

• Die Größe, die an die Führungsgröße (w) angeglichen werden soll
• Die zu beeinflussende Größe!
• Ausgangsgröße der Regelstrecke
• Eingangsgröße des Reglers

• "Sollwert"
• Die Größe die, die Regelgröße (x) annehmen soll
• Wird von außen dem Regelkreis zugeführt und ist variabel

Alles von außen auf dem Regelkreis einwirkenden Größen die den Regelkreis negativ beeinflussen

• Ausgangsgröße des Reglers
• Überträgt die steuernde Wirkung auf die Regelkreise

• Wert den die Regelgröße durch die Regelung erreichen soll
• fester Wert bei Festwertregelung