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2013
Peter Kainhofer
Grundlagen der
prozesstechnischen
Regelungstechnik
WORKSHOP
Workshop GL-PRT
Kursziele / Inhalte Seite 2 von 75
Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik
Kursziele
Dieser praxisorientierte Kurs ist vor allem für Personen bestimmt, die sich mit der Planung, der
Inbetriebnahme oder der Optimierung von prozesstechnischen Anlagen beschäftigen.
Das Verständnis für Regelung betrifft jedoch alle Bereiche unserer Gesellschaft. Durch das
Arbeiten an Modellregelstrecken wird das dynamische und analytische Denken gefördert. Deshalb
ist dieser Kurs auch für außertechnische Bereiche zu empfehlen.
Anhand von Übungsbeispielen lernen die Teilnehmer die Dynamik von einfachen Regelkreisen zu
verstehen und einfache Regelaufgaben ohne Verwendung der höheren Mathematik zu lösen.
Die praktischen Übungen werden an einem modernen Prozessleitsystem durchgeführt.
Inhalt
• Einführung in die Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik
• Verhalten von Regelstrecken
• Stetige und unstetige Regler
• Regelkreise mit stetigen und unstetigen Reglern
• Praktische Übungen an verschiedenen Modellregelstrecken
• Erhöhung der Regelgüte
• Erkennen von Optimierungspotenzial anhand von Trendanalysen
• Lösungskonzepte für komplexe Regelsysteme
Dauer des Kurses
30 Std.
Workshop GL-PRT
Übungsaufbau Seite 3 von 75
Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik
Aufbau der Übungsplätze
Abbildung 01 Aufbau der Übungsplätze
Workshop GL-PRT
Inhaltsverzeichnis Seite 4 von 75
Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung in die Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik ......................................5
1.1 Einleitung................................................................................................................................5
1.2 Die Messeinrichtung...............................................................................................................8
1.3 Aufgaben des Regelungstechnikers ........................................................................................9
1.4 Die mathematische Theorie der Regelung............................................................................10
2 Die Regelstrecke ............................................................................................................................12
2.1 Stell- und Stör- Sprungantworten der Regelstrecke:.............................................................12
2.2 Übungen: Aufnahme der Sprungantwort..............................................................................23
2.3 Beschreibung durch den Frequenzgang (Schwingungsantwort)...........................................27
3 Stetige Regler.................................................................................................................................31
3.1 Sprungantworten des K- Reglers ..........................................................................................32
3.2 Übungen Stetige Regler ........................................................................................................37
4 Regelkreise mit stetigen Reglern ...................................................................................................40
4.1 Allgemeines zur Arbeitsweise von Regelkreisen mit stetigen Reglern ................................40
4.2 Das Störverhalten des Regelkreises......................................................................................41
4.3 Die wichtigsten Methoden für die Reglereinstellung............................................................44
4.4 Übungen Stetige Regler mit Regelstrecken ..........................................................................49
5 Dreipunktregler mit quasistetigem Verhalten ................................................................................51
5.1 Gründe, warum Elektromotoren als Stellantriebe an vielen Stellen bevorzugt werden........51
5.2 Dreipunkt- Schrittregler (S- Regler) für elektromotorische Antriebe...................................52
5.3 Schrittregler (PI- Verhalten) .................................................................................................55
5.4 Übung Dreipunktregler mit quasistetigem Verhalten (S- Regler) ........................................56
5.5 Übung Dreipunktregler (S- Regler) mit Regelstrecken ........................................................57
6 Erhöhung der Regelgüte.................................................................................................................58
6.1 Störgrößenaufschaltung ........................................................................................................59
6.2 Dreikomponentenregelung....................................................................................................60
6.3 Kaskadenregelung.................................................................................................................62
6.4 Verhältnisregelung................................................................................................................64
6.5 Parametersteuerung bei nichtlinearen Regelstrecken............................................................65
7 Erkennen von Optimierungspotenzial anhand von Trendanalysen................................................66
7.1 Soll- Zustand der Dynamik eines thermischen Prozesses.....................................................66
7.2 Vergleich des Regelverhaltens vor und nach der Optimierung ............................................68
8 Lösungskonzepte für komplexe Regelsysteme ..............................................................................69
8.1 Optimierung eines Heißwasserkessels..................................................................................69
8.2 Regelung von komplexen Energiesystemen .........................................................................70
8.3 Regelung der Wasserlieferung für eine Destillationsanlage .................................................72
9 Literaturverzeichnis........................................................................................................................73
10 Abbildungsverzeichnis...................................................................................................................74
Workshop GL-PRT
Kapitel 1: Einführung Seite 5 von 75
Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik
1 Einführung in die Grundlagen der prozesstechnischen
Regelungstechnik
(1)
1.1 Einleitung
Kybernetik ist nach ihrem Begründer Norbert Wiener die Wissenschaft der Steuerung und
Regelung von Maschinen, lebenden Organismen und sozialen Organisationen und wurde auch mit
der Formel „die Kunst des Steuerns“ beschrieben. Seit der Einführung der EDV in der
Automatisierung ist die prozesstechnische Regelungstechnik immer mehr in Vergessenheit geraten.
Das bewirkt einen schlechteren Gesamtwirkungsgrad, eine Verringerung der Verfügbarkeit und
eine Verschlechterung der Stabilität. Mein Wunsch ist es, den Menschen die Kunst des Regelns
beizubringen. So wie bei den Griechen ein guter Steuermann hoch angesehen war, der auch bei
Sturm und Regen sein Schiff auf Kurs gehalten hat, so muss auch ein guter Regelungstechniker
Konzepte entwickeln, die unterschiedliche Störfaktoren und Bedingungen miteinbeziehen. Die
Kunst des Regelns kann man nicht aus Büchern lernen, so wie ein guter Steuermann die Kunst des
Steuerns eines Schiffes nicht aus Büchern lernen kann. Man muss in der Praxis lernen, mit einem
Schiff oder mit einer Prozessanlage zu fahren und es trotz verschedener Störeinflüsse auf dem
gewünschten Kurs zu halten.
Die Regelungstechnik ist ein verhältnismäßig junges Gebiet der Technik. Während die Theorie der
Regelung in den vergangenen Jahrzehnten zu hoher Vollkommenheit ausgebaut wurde, fehlt es
auch heute noch an genügend Verbindungsstellen zwischen Theorie und der ebenfalls weit
entwickelten regelungstechnischen Praxis.
Die Aufgabe der Regelung ist es, bestimmte Größen wie z.B. Temperatur, Drehzahl, Druck usw.
auf vorgeschriebene Werte zu bringen und entgegen allen Störeinwirkungen zu halten. Diese so
einfach aussehende Aufgabe beinhaltet aber in sich eine erstaunliche Fülle von Problemen, wie man
sie auf den ersten Blick gar nicht vermuten würde.
Worauf es bei der Lösung von Regelaufgaben eigentlich ankommt, ist nicht die Kenntnis vieler
Formeln und Rechenverfahren, sondern das Erfassen der wirkungsmäßigen Zusammenhänge im
Regelkreis. Daneben muss man sich, wie bei jeder Technik, eine Reihe von Grundregeln aneignen.
Die Grundgesetze der Regelungstechnik gelten in gleicher Weise
für alle Regelkreise, ganz unabhängig davon, wie verschieden
sie im Einzelnen auch apparativ aufgebaut sein mögen.
Workshop GL-PRT
Kapitel 1: Einführung Seite 6 von 75
Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik
Steuerung und Regelung
Was ist der Unterschied zwischen Steuerung und Regelung?
Ich möchte Ihnen das an einem einfachen Beispiel erklären:
Sie wollen ein Bad nehmen und ihre Badewanne mit warmem Wasser füllen, das gerade Ihren
Wünschen entspricht.
1. Steuerung:
Sie stellen die moderne Mischarmatur in die Mitte und öffnen den Wasserhahn. Sie
vertrauen darauf, dass das kalte und warme Wasser durch die Armatur auf die Temperatur
gemischt wird, die in etwa Ihren Wünschen entspricht. Sie bemerken, dass die Wasser-
temperatur in ihrer Badewanne unter Ihrer Körpertemperatur liegt. Das angegebene Misch-
verhältnis der Armatur entspricht nicht Ihren Wünschen.
Eine Steuerung hat keine Rückkopplung!
2. Regelung
Sie stellen die moderne Mischarmatur in die Mitte und öffnen den Wasserhahn. Sie
vertrauen nicht auf das mechanische Mischverhältnis, sondern sie verstellen die
Mischarmatur solange, bis die Wassertemperatur durch das Messen mit Ihrer Hand der
gewünschten Temperatur entspricht. Jetzt können Sie endlich Ihr Bad genießen.
Sie haben gerade geregelt. Ihre Hand diente dabei als Messfühler und Ihr Gehirn als
Sollwertgeber und Regler. Das Gehirn vergleicht den gewünschten Sollwert mit dem Signal
Ihres Messfühlers und gibt den Befehl an Ihre zweite Hand, die Armatur solange zu
verändern, bis das Messsignal dem gewünschten Sollwert entspricht.
Eine Regelung hat immer eine Rückkopplung!
Workshop GL-PRT
Kapitel 1: Einführung Seite 7 von 75
Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik
Eine Regelung ist immer dann erforderlich, wenn Störgrößenänderungen auftreten.
Bei jeder Regelaufgabe müssen wir uns mit dem „Dreigestirn“
Regelgröße – Stellgröße – Störgrößen
auseinandersetzen.
Ganz gleich, welche Regelaufgabe zu lösen ist, immer müssen wir uns zuerst fragen:
Was soll geregelt werden?
Was ist die Regelgröße?
Wie kann die Regelgröße beeinflusst werden?
Was ist die geeignetste Stellgröße?
Welche Störgrößen sind vorhanden und wie wirken sie sich aus?

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Workshop gl prt einleitung

  • 2. Workshop GL-PRT Kursziele / Inhalte Seite 2 von 75 Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik Kursziele Dieser praxisorientierte Kurs ist vor allem für Personen bestimmt, die sich mit der Planung, der Inbetriebnahme oder der Optimierung von prozesstechnischen Anlagen beschäftigen. Das Verständnis für Regelung betrifft jedoch alle Bereiche unserer Gesellschaft. Durch das Arbeiten an Modellregelstrecken wird das dynamische und analytische Denken gefördert. Deshalb ist dieser Kurs auch für außertechnische Bereiche zu empfehlen. Anhand von Übungsbeispielen lernen die Teilnehmer die Dynamik von einfachen Regelkreisen zu verstehen und einfache Regelaufgaben ohne Verwendung der höheren Mathematik zu lösen. Die praktischen Übungen werden an einem modernen Prozessleitsystem durchgeführt. Inhalt • Einführung in die Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik • Verhalten von Regelstrecken • Stetige und unstetige Regler • Regelkreise mit stetigen und unstetigen Reglern • Praktische Übungen an verschiedenen Modellregelstrecken • Erhöhung der Regelgüte • Erkennen von Optimierungspotenzial anhand von Trendanalysen • Lösungskonzepte für komplexe Regelsysteme Dauer des Kurses 30 Std.
  • 3. Workshop GL-PRT Übungsaufbau Seite 3 von 75 Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik Aufbau der Übungsplätze Abbildung 01 Aufbau der Übungsplätze
  • 4. Workshop GL-PRT Inhaltsverzeichnis Seite 4 von 75 Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik Inhaltsverzeichnis 1 Einführung in die Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik ......................................5 1.1 Einleitung................................................................................................................................5 1.2 Die Messeinrichtung...............................................................................................................8 1.3 Aufgaben des Regelungstechnikers ........................................................................................9 1.4 Die mathematische Theorie der Regelung............................................................................10 2 Die Regelstrecke ............................................................................................................................12 2.1 Stell- und Stör- Sprungantworten der Regelstrecke:.............................................................12 2.2 Übungen: Aufnahme der Sprungantwort..............................................................................23 2.3 Beschreibung durch den Frequenzgang (Schwingungsantwort)...........................................27 3 Stetige Regler.................................................................................................................................31 3.1 Sprungantworten des K- Reglers ..........................................................................................32 3.2 Übungen Stetige Regler ........................................................................................................37 4 Regelkreise mit stetigen Reglern ...................................................................................................40 4.1 Allgemeines zur Arbeitsweise von Regelkreisen mit stetigen Reglern ................................40 4.2 Das Störverhalten des Regelkreises......................................................................................41 4.3 Die wichtigsten Methoden für die Reglereinstellung............................................................44 4.4 Übungen Stetige Regler mit Regelstrecken ..........................................................................49 5 Dreipunktregler mit quasistetigem Verhalten ................................................................................51 5.1 Gründe, warum Elektromotoren als Stellantriebe an vielen Stellen bevorzugt werden........51 5.2 Dreipunkt- Schrittregler (S- Regler) für elektromotorische Antriebe...................................52 5.3 Schrittregler (PI- Verhalten) .................................................................................................55 5.4 Übung Dreipunktregler mit quasistetigem Verhalten (S- Regler) ........................................56 5.5 Übung Dreipunktregler (S- Regler) mit Regelstrecken ........................................................57 6 Erhöhung der Regelgüte.................................................................................................................58 6.1 Störgrößenaufschaltung ........................................................................................................59 6.2 Dreikomponentenregelung....................................................................................................60 6.3 Kaskadenregelung.................................................................................................................62 6.4 Verhältnisregelung................................................................................................................64 6.5 Parametersteuerung bei nichtlinearen Regelstrecken............................................................65 7 Erkennen von Optimierungspotenzial anhand von Trendanalysen................................................66 7.1 Soll- Zustand der Dynamik eines thermischen Prozesses.....................................................66 7.2 Vergleich des Regelverhaltens vor und nach der Optimierung ............................................68 8 Lösungskonzepte für komplexe Regelsysteme ..............................................................................69 8.1 Optimierung eines Heißwasserkessels..................................................................................69 8.2 Regelung von komplexen Energiesystemen .........................................................................70 8.3 Regelung der Wasserlieferung für eine Destillationsanlage .................................................72 9 Literaturverzeichnis........................................................................................................................73 10 Abbildungsverzeichnis...................................................................................................................74
  • 5. Workshop GL-PRT Kapitel 1: Einführung Seite 5 von 75 Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik 1 Einführung in die Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik (1) 1.1 Einleitung Kybernetik ist nach ihrem Begründer Norbert Wiener die Wissenschaft der Steuerung und Regelung von Maschinen, lebenden Organismen und sozialen Organisationen und wurde auch mit der Formel „die Kunst des Steuerns“ beschrieben. Seit der Einführung der EDV in der Automatisierung ist die prozesstechnische Regelungstechnik immer mehr in Vergessenheit geraten. Das bewirkt einen schlechteren Gesamtwirkungsgrad, eine Verringerung der Verfügbarkeit und eine Verschlechterung der Stabilität. Mein Wunsch ist es, den Menschen die Kunst des Regelns beizubringen. So wie bei den Griechen ein guter Steuermann hoch angesehen war, der auch bei Sturm und Regen sein Schiff auf Kurs gehalten hat, so muss auch ein guter Regelungstechniker Konzepte entwickeln, die unterschiedliche Störfaktoren und Bedingungen miteinbeziehen. Die Kunst des Regelns kann man nicht aus Büchern lernen, so wie ein guter Steuermann die Kunst des Steuerns eines Schiffes nicht aus Büchern lernen kann. Man muss in der Praxis lernen, mit einem Schiff oder mit einer Prozessanlage zu fahren und es trotz verschedener Störeinflüsse auf dem gewünschten Kurs zu halten. Die Regelungstechnik ist ein verhältnismäßig junges Gebiet der Technik. Während die Theorie der Regelung in den vergangenen Jahrzehnten zu hoher Vollkommenheit ausgebaut wurde, fehlt es auch heute noch an genügend Verbindungsstellen zwischen Theorie und der ebenfalls weit entwickelten regelungstechnischen Praxis. Die Aufgabe der Regelung ist es, bestimmte Größen wie z.B. Temperatur, Drehzahl, Druck usw. auf vorgeschriebene Werte zu bringen und entgegen allen Störeinwirkungen zu halten. Diese so einfach aussehende Aufgabe beinhaltet aber in sich eine erstaunliche Fülle von Problemen, wie man sie auf den ersten Blick gar nicht vermuten würde. Worauf es bei der Lösung von Regelaufgaben eigentlich ankommt, ist nicht die Kenntnis vieler Formeln und Rechenverfahren, sondern das Erfassen der wirkungsmäßigen Zusammenhänge im Regelkreis. Daneben muss man sich, wie bei jeder Technik, eine Reihe von Grundregeln aneignen. Die Grundgesetze der Regelungstechnik gelten in gleicher Weise für alle Regelkreise, ganz unabhängig davon, wie verschieden sie im Einzelnen auch apparativ aufgebaut sein mögen.
  • 6. Workshop GL-PRT Kapitel 1: Einführung Seite 6 von 75 Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik Steuerung und Regelung Was ist der Unterschied zwischen Steuerung und Regelung? Ich möchte Ihnen das an einem einfachen Beispiel erklären: Sie wollen ein Bad nehmen und ihre Badewanne mit warmem Wasser füllen, das gerade Ihren Wünschen entspricht. 1. Steuerung: Sie stellen die moderne Mischarmatur in die Mitte und öffnen den Wasserhahn. Sie vertrauen darauf, dass das kalte und warme Wasser durch die Armatur auf die Temperatur gemischt wird, die in etwa Ihren Wünschen entspricht. Sie bemerken, dass die Wasser- temperatur in ihrer Badewanne unter Ihrer Körpertemperatur liegt. Das angegebene Misch- verhältnis der Armatur entspricht nicht Ihren Wünschen. Eine Steuerung hat keine Rückkopplung! 2. Regelung Sie stellen die moderne Mischarmatur in die Mitte und öffnen den Wasserhahn. Sie vertrauen nicht auf das mechanische Mischverhältnis, sondern sie verstellen die Mischarmatur solange, bis die Wassertemperatur durch das Messen mit Ihrer Hand der gewünschten Temperatur entspricht. Jetzt können Sie endlich Ihr Bad genießen. Sie haben gerade geregelt. Ihre Hand diente dabei als Messfühler und Ihr Gehirn als Sollwertgeber und Regler. Das Gehirn vergleicht den gewünschten Sollwert mit dem Signal Ihres Messfühlers und gibt den Befehl an Ihre zweite Hand, die Armatur solange zu verändern, bis das Messsignal dem gewünschten Sollwert entspricht. Eine Regelung hat immer eine Rückkopplung!
  • 7. Workshop GL-PRT Kapitel 1: Einführung Seite 7 von 75 Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik Eine Regelung ist immer dann erforderlich, wenn Störgrößenänderungen auftreten. Bei jeder Regelaufgabe müssen wir uns mit dem „Dreigestirn“ Regelgröße – Stellgröße – Störgrößen auseinandersetzen. Ganz gleich, welche Regelaufgabe zu lösen ist, immer müssen wir uns zuerst fragen: Was soll geregelt werden? Was ist die Regelgröße? Wie kann die Regelgröße beeinflusst werden? Was ist die geeignetste Stellgröße? Welche Störgrößen sind vorhanden und wie wirken sie sich aus?