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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Brauche Buchtipp: Einführung in Regelungstechnik für Nichtakademiker


Autor: Paul H. (powl)
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Hi,

da ich nun mit meinen Basteleien immer mehr in den Bereich komme, wo es 
nötig ist auch träge Regelstrecken die ich auf den Soll-Wert nur durch 
beschleunigen und Abbremsen bringen kann wie z.B. einen Motor, ein 
Galvanometer, einen Servo-Antrieb,... möchte ich mich ein wenig mit 
Regelungstechnik befassen.

Ich bin allerdings noch Schüler und bis ich sowas im Studium mal 
durchnehme vergehen noch ein paar Jährchen. Das Thema Regelungstechnik 
im Internet, bei Wiki oder im RN-Netz sind zwar schön ausgeführt, 
allerdings nicht gerade zum erlernen geeignet. Ich beiß mir daran 
jedenfalls die Zähne aus. Es ist nicht ganz klar wie ich mir das ganze 
vorstellen kann und wie man das mal hergeleitet hat.

Ich habe auch ein Buch "Regelungstechnik" von A. Böttiger, ist vom 
Oldenburg verlag. Allerdings wird man hier auch gleich wieder mit 
allerlei Fachbegriffen und Formelsalat konfrontiert, alles höchst 
theoretisch. Es heißt zwar "Eine Einführung für Ingenieure und 
Naturwissenschaftler", aber ohne Prof, der mir Erklärt, wie, wann und 
warum man das wo und wie anwendet, sagt mir das alles nicht viel.

Kennt jemand ein Buch indem das auch für Hobbyisten möglichst einfach 
erstmal verständlich erklärt wird? Ich hätte gerne Beispiele, in welchen 
Fällen man welche Reglertypen anwendet, wie man auf ihre Funktionsweise 
kommt, wie man sie parametriert, wo sie ihre Grenzen haben, usw. Das 
ganze in riesigen mathematischen Formeln auszudrücken kann ich hinterher 
immernoch erlernen.

Kann mir da jemand was empfehlen?

lg PoWl

Autor: Thomas Pircher (tpircher) Benutzerseite
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Paul Hamacher wrote:
> Kennt jemand ein Buch indem das auch für Hobbyisten möglichst einfach
> erstmal verständlich erklärt wird?

Wenn es englisch sein darf, dann sieh dir einmal das Buch von Tim 
Wescott an:
http://www.wescottdesign.com/actfes/actfes.html

"Applied Control Theory for Embedded Systems is written for the 
practicing engineer who needs to develop working control systems without 
going back to school for three years. It is aimed directly at software 
engineers who are learning control theory for the first time, however it 
also covers many real-world issues in much greater depth than is taught 
in a 'theory' course."

Der Autor verwendet Scilab zur Simulation, die Beispiele sind also auch 
ohne Matlab-Lizenz nachvollziehbar.

Thomas

Autor: Guido (Gast)
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Hallo,

wenn du Zugang zu der ELRAD-DVD hast, da war vor vielen
Jahren ein ellenlanger Kurs hierzu drin. Die Software, die
zur Simulation genutzt wurde, gibt es zwar nicht mehr aber
der Kurs war ganz verständlich.

Autor: tom (Gast)
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Hallo Paul,
also wenn du Regelungstechnik verstehen willst, dann wirst du nicht 
umhin kommen, die Formeln zu verstehen. Um die Lösungswege zu verstehen 
wirst du um die Laplace-Transformation und bei digitalen Regelungen 
nicht um die z-Transformation herum kommen. Ich gehe davon aus, dass du 
beides bisher noch nicht kannst und du es frühestens im Studium lernen 
wirst, deshalb denke ich, wird es ein schwieriges unterfangen sein sich 
das selbst bei zubringen.
Folgende Büche kann ich ergänzend zu eine Vorlesung empfehlen:
- "Regelungstechnik 1" und "Regelungstechnik 2" von Gerd Schulz (mit 
Praktischen Beispielen in Matlab)
- "Matlab - Simulink - Stateflow" Anne Angerman, Michael Beuschel, 
Martin Rau, Ulrich Wolfahrt (Einfürung in Matlab, Simulink und 
Stateflow; vieles davon lässt sich auf ähnliche Weise auch mit octave 
bzw. scilab nach machen)

Als "seichte" Einführungen sind die Bücher aus dem Vogel Verlag Würzburg 
anzusehen, für ein Studium allerdings absolut ungeeignet.

Autor: Paul H. (powl)
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Danke schonmal für die Tipps! Ich wollte nicht sagen, dass ich komplett 
formelscheu bin, nur sollten dann auch Erklärungen, Herleitungen und 
Beispiele dabei sein. Kurz gesagt: die Grundkenntnisse sollten 
mitvermittelt werden. Ich schau mir das von euch schonmal an und warte 
noch auf weiteres :-)

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Paul,

für den Anfang genügt es, wenn Du einen PID-Regler verstehst.

Dazu betrachten wir eine Motorsteuerung mit Gaspedal, wobei die Zahl G 
angeben soll, wie stark Du das Gaspedal durchdrückst. Ein negatives G 
soll die Bremse betätigen.

Bei dem Regler gibst Du eine Sollgröße vor, und mißt eine Istgröße.

Ein PID-Regler reagiert auf drei Arten auf eine Abweichung von Soll- und 
Istgröße:
a) Proportional zur aktuellen Differenz von Soll- und Istwert (P-Wert)
   Je größer die Differenz zwischen Soll- und Istgeschwindigkeit ist, 
umso
   mehr Gas gibst Du bzw. umso stärker gehst Du auf die Bremse.

b) Proportional zum Integral der Differenz von Soll- und Istwert 
(I-Wert)
   Hierbei geht es um die Summe aller in der Vergangenheit
   vorgekommenen Regelabweichungen. Du gibst umso mehr Gas, je größer 
die
   Regelabweichung ist und je länger die Regelabweichung schon vorhanden
   ist. Der I-Wert bewirkt insbesondere, daß
   auch kleine Regelabweichungen irgendwann einmal behoben werden, auch
   wenn der P-Regler das alleine nicht schafft.

c) Proportional zur Ableitung der Differenz von Soll- und Istwert 
(D-Wert)
   Hierbei geht es darum, wie schnell sich die Regelabweichung
   vergrößert bzw. verkleinert. Hiermit gibst Du sofort Gas, wenn der
   Motor plötzlich belastet wird bzw. Du gehst sofort auf die Bremse, 
wenn
   der Motor schneller wird.

Wie stark Du das Gaspedal durchdrückst, berechnet sich so:

G =
P * (aktuelle Regelabweichung) +
I * (Integral der bisherigen Regelabweichungen) +
D * (Geschwindigkeit der Regelabweichungsänderung)

Für 99% aller Hobbyanwendungen wird Dir ein einfacher PID-Regler 
genügen, und für diese Zwecke brauchst Du auch nicht unbedingt die 
Mathematik. Es reicht häufig schon, wenn Du ausprobierst, welche 
Reglerparameter gut sind.

Mathematik brauchst Du erst dann, wenn Du
- Regler auf Geschwindigkeit optimieren willst (evtl. wählst Du dann 
einen
  anderen Regler als PID)
- vorher berechnen willst, ob sie stabil sind. Regler können schwingen.
  Das ist dann der Fall, wenn der Motor sehr lange braucht, um auf
  Gas/Bremse zu reagieren.
  Wenn Du schonmal ein träges Schiff gesteuert hast, kennst Du das: Du
  drehst das Ruder. Dann denkst Du, es passiert ja gar nichts und
  Du drehst es mehr und mehr.
  Irgendwann reagiert das Schiff dann mal. Aber viel stärker als Du
  dachtest. Dann drehst Du wieder zurück, und erstmal passiet gar 
nichts.
  Und ehe Du Dich umsiehst, fährst Du schon zickzack. (Schwingen)
- stark nichtlineare Systeme regeln willst (evtl. brauchst Du dann eine
  nichtlineare Regelung)

Du kannst ja mal mit dem o. g. Schema eine Motorsteuerung 
(Gleichstrommotor) bauen.

Du mißt dazu (beispielsweise mit einer Lichtschranke) die 
Geschwindigkeit eines Motors und gibst über den µC aus, wie sehr sich 
die Motorspeisespannung ändern soll.

Wie stark die Änderung der Motorspeisespannung sein soll, programmierst 
Du nach dem o. g. Schema. Und dann kannst Du austesten, wie die 
einzelnen Parameter reagieren.

Ich würde mit dem P-Wert anfangen und erst danach mit kleinen I- und 
D-Wert fortfahren. D-Werte solltest Du besonders sparsam verwenden. Sie 
machen das System anfällig gegen Störungen.



Gruß,
  Michael

Autor: Paul H. (powl)
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Danke, das ist schonmal eine sehr verständliche Einführung :-) In der 
Tat wollte ich demnächst eine DC-Motorregelung bauen. Mit welchen 
Maßnahmen kann man einem Schwingen entgegenwirken wenn der Messfühler 
bzw. das Stellglied sehr träge ist? Beispielsweise bei einer 
Heizungssteuerung, da kann es durchaus sein dass der Fühler mehrere 
Sekunden braucht bis er die Temperatur gescheit erfasst hat. Das würde 
dann ziemlich zu schwingen anfangen.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Paul,

> Danke, das ist schonmal eine sehr verständliche Einführung :-) In der
> Tat wollte ich demnächst eine DC-Motorregelung bauen. Mit welchen
> Maßnahmen kann man einem Schwingen entgegenwirken wenn der Messfühler
> bzw. das Stellglied sehr träge ist? Beispielsweise bei einer
> Heizungssteuerung, da kann es durchaus sein dass der Fühler mehrere
> Sekunden braucht bis er die Temperatur gescheit erfasst hat. Das würde
> dann ziemlich zu schwingen anfangen.
Bei der Heizung macht der Regler im Grunde dasselbe wie der Skipper auf 
dem Schiff: Er dreht dreht das Ruder nur ein wenig und wartet dann lange 
ab, was passiert, eher er wieder korrigiert.

Du brauchst vor dem Schwingen erstmal keine Sorge zu haben:  Deinen 
Motor wirst Du schon geregelt bekommen, und geregelte Heizungen gibt es 
auch schon lange. Dinge wie eine Position anfahren (Drucker), eine 
Drehzahlregelung oder eine Temperaturregelung sind meistens vollkommen 
unproblematisch und gehen mit Standardreglern.

Schwieriger wird es, wenn Du ein Uhrenpendel verkehrt herum balancieren 
willst, d. h. wenn Du es mit dem Gewicht oben im labilen Gleichgewicht 
halten willst. Das geht glaube ich mit einem PID-Regler nicht.

Einen besonderen Regler kennst Du übrigens schon aus der Analogtechnik: 
Den Operationsverstärker. Durch Verändern der Rückkopplung kannst Du 
daraus auch andere Reglertypen machen.

             |\
Sollspannung | \Gaspedal im OPV (ua = v UD)
      -------|+ \
      ---*---|- /-----*---o
Istspannung  | /      |
         |   |/       |
         |____________|


UD: Spannung von +Eingang zu -Eingang
v:  Gleichspannungsverstärkung des OPV
ua: Ausgangsspannung

Gruß,
  Michael


PS: Schau auch mal hier herein:
http://www.geltec.de/home/lehrsysteme/access/downloads.html
Ich glaube, die Anleitung zu den PID-Reglern ist recht verständlich 
geschrieben.

Autor: AC/DC (Gast)
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Gehe lieber in eine Buchhandlung und blättere mal in
geeigneten Büchern rum ob die deinem Anspruchsdenken
auf Nachvollziehbarkeit und Verständlichkeit entsprechen.
Online gibts dann geeignete Exemplare günstiger.
Wenn es mehr praktische Bücher sein sollen fallen mir
nur die MSR-Bücher von Franzis ein die man auch verbilligt
von div. Online-Händlern bekommen kann.
Was Hierzulande an Wissensliteratur so veröffentlicht wird,
ist oft nicht zu fassen und man benötigt dann oft eine ganze
Anzahl von Werken um eine einiger Maßen vollständige
Wissensenzyklopädie zu haben.

Autor: Maximilian .. (maxpautsch)
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ich kann kann "regelungstechnik 1" von gerd schulz empfehlen. hab seine 
regelungstechnik-vorlesung besucht und deshalb mich für dieses buch 
entschieden.

um die formeln kommst du eh nicht rum. und ich finde die sind in diesem 
buch verständlich erklärt. es sind auch ein paar beispiele drin anhand 
derer man das gut versteht.
aber bei solchen büchern ist es wohl immer auch ein bisschen 
"persönlicher geschmack" ob man es für gut empfindet. also am besten ne 
buchhandlung aufsuchen...

also das buch, das ich mein ist im oldenbourg-verlag erschienen. (isbn: 
9783486583175)

Autor: Dennis (Gast)
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Suche mal nach: Orlowski, Praktische Regeltechnik, Springer Verlag.

Hat sehr wenig Mathe und ist recht gut verständlich.

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