VU 325.001 Prozessregelung

Inhalt

Aufgrund der immer strengeren Anforderungen (z.B. hinsichtlich Umweltverträglichkeit und Energieeffizienz) sind in vielen verfahrenstechnischen Prozessen klassische lineare Eingrößenregelungssysteme nicht mehr ausreichend. In Ergänzung zur Grundlagenvorlesung vermittelt diese Lehrveranstaltung weiterführende Methoden der Regelungstechnik, um den speziellen Eigenschaften von komplexen verfahrenstechnischen Anlagen gerecht zu werden.

Wurzelortskurven

Die Wurzelortskurvenmethodik ist ein grafisches Verfahren, das es ermöglicht die Änderung von Eigenwerten eines Systems in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern (wie z.B. der Reglerverstärkung) darzustellen. Dadurch kann die Stabilität sowie die Parameterempfindlichkeit von Regelkreisen auf anschauliche Weise analysiert und die Robustheit von Regelungssystemen (z.B. gegenüber Alterung) erhöht werden.

Erweiterte Methoden der Prozessregelung

Es werden verschiedene Konzepte (Störgrößenaufschaltung, Kaskadenregelung, Prädiktor-Regelung, etc.) vorgestellt um die Leistungsfähigkeit von Regelungssystemen unter verschiedenen Rahmenbedingungen (z.B. messbare Stör- oder Hilfsgröße, Totzeit, etc.) zu verbessern. Die Bedeutung dieser Regelungskonzepte wird anhand von einfachen und praktischen Beispielen illustriert. 

Mehrgrößenregelung

Bei vielen verfahrenstechnischen Anlagen ist es notwendig, gleichzeitig mehrere Regelgrößen auf einem Sollwert zu halten oder entlang von Trajektorien zu führen. Die Regel- und Stellgrößen sind dabei häufig stark verkoppelt, und das gewünschte Verhalten der Regelstrecke wird nur durch einen koordinierten Eingriff an mehreren Stellgliedern erzielt. In solchen Fällen, d.h. wenn die Verkopplungen zwischen den Stell- und/oder Regelgrößen nicht vernachlässigt werden können, werden Mehrgrößenregelsysteme eingesetzt. Im Rahmen dieser Lehrveranstaltung wird die Beschreibung, Entkopplung und Stabilität von Zweigrößensystemen betrachtet.

Zustandsraumsysteme

Die Zustandsraumdarstellung ermöglicht bei der Auslegung von Regelungssystemen einen formaleren mathematischen Zugang. So wird auch die Behandlung von komplexen Mehrgrößensystemen formalisiert und deutlich vereinfacht. Die Regelstrecke wird durch ein sogenanntes Zustandsraumsystem beschrieben, dessen Stärke darin liegt, dass multiple-input-multiple-output (MIMO) Systeme genauso dargestellt werden wie single-input-single-output (SISO) Systeme. Die Darstellung im Zustandsraum ermöglicht somit den Entwurf von komplexen Mehrgrößenregelsystemen, wie sie z.B. auch in der Fahrzeug- und Flugregelung eingesetzt werden. Neben der Auslegung von Zustandsreglern wird auch der Einsatz eines Zustandsbeobachters erläutert.

Optimale Regelung

Ein weiteres Kapitel umfasst die Reglerauslegung durch Optimierung (Linear Quadratic Regulator, LQR). Hier gilt als Designziel nicht mehr die Platzierung von Polen des geschlossenen Regelkreises, sondern die Minimierung einer Kostenfunktion, welche den zukünftigen Verlauf des Systemzustands berücksichtigt. Diese Methodik ermöglicht einen intuitiven Zugang um den Regler zu tunen bzw. die gewünschte Regelperformance zu erzielen. Die VU wird durch umfangreiche Beispiele unterstützt, die als komplette MATLAB/Simulink-Pakete zur Verfügung gestellt werden. Im Rahmen einer praktischen Übung in Kleingruppen erhalten die Studierenden die Möglichkeit, die erworbenen Kenntnisse selbst an Laborversuchen zu testen.

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Kontakt

TU Wien

Institut für Mechanik und Mechatronik

Forschungsbereich Regelungstechnik und Prozessautomatisierung

Getreidemarkt 9 / E325-04 / 6. Stock

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