5.3 Die Form frmReglerbearbeitung
5.3.2 Starten der Aufzeichnung der Sprungantwort der Strecke
Nachdem alle Konfigurationen durchgeführt wurden, kann der Anwender mit der Aufzeichnung des Stellwertsprungs und der Sprungantwort der Strecke des ausgewählten Reglers beginnen.
Auf dieser Form ist unten links der Frame5 mit drei TextBoxen für den aktuellen Ist-, Stellwert und der Stellwertvorgabe sowie dem Start-Button.
Abbildung 5.14: Der Frame5 zum Ändern des Stellwertes
Bevor der Anwender auf den Start-Button klickt, muss er einen Stellwert in der TextBox vorgeben. Dazu trägt der Anwender einen Stellwert von z.B. 20 % in die TextBox des Stellwertes ein und klickt dann auf den Start-Button. In diesem Augenblick wird der Wert aus den TextBoxen in die dafür vorgesehene Adresse in die Steuerung geschrieben.
Sobald dieser Stellwert in der Steuerung steht, werden die aktuellen Ist- und Stellwerte gleich wieder aus der Steuerung ausgelesen. Nach kurzer Zeit, je nachdem wann der Istwert des Prozesses beginnt sich zu ändern, sieht der Anwender eine Änderung des Istwertes in der TextBox und den dazu analogen Anstieg oder Abstieg der Sprungantwort. Die Aufzeichnung funktioniert genauso wie bei der Aufzeichnung der Sprungantwort auf einen Sollwertsprung in der Form frmReglerauswahl und wird deshalb nicht mehr weiter erläutert.
Stellwertvorgabe, die hier eingetragen wird
Button zum Schreiben des Wertes aus der TextBox in die Steuerung
Aktueller ausgelesener Stellwert aus der Steuerung Aktueller ausgelesener Istwert aus der Steuerung
Der Unterschied besteht nur darin, dass hier der Regler vom System abgekoppelt und statt des Sollwertes der Stellwert vorgegeben wird.
Abbildung 5.15: Aufzeichnung der Sprungantwort der Regelstrecke
Die Aufzeichnung kann hier ebenfalls durch das Anhalten des Timers gestoppt werden. Dieses sollte aber erst vorgenommen werden, wenn der aufgezeichnete Istwert einige Zeit auf einem Wert bleibt. Erst dann kann man davon ausgehen, dass der Endwert erreicht wurde, um so die Streckenverstärkung zu bestimmen.
Wenn der maximale Istwert jetzt erreicht wird, kann der Anwender die Aufzeichnung durch den Stop-Button beenden. Dann können die Streckenparameter durch den Analysiere-Strecke-Button im Frame6 ermittelt werden. Es erfolgt dann die Ermittlung und die Berechnung der Streckenverstärkung, der Totzeit und der Zeitkonstante aus der CSV-Datei.
Im Programm werden zur Ermittlung ersteinmal die minimalen und maximalen Werte des Ist- und Stellwertes ermittelt. Damit ergibt sich die Streckenverstärkung:
5Stellwert 5Istwert
S =
∆
= ∆ y K x
Die Totzeit ist die Differenz vom Beginn der Änderung des Stellwertes und vom Beginn der Änderung des Istwertes. Diese werden ermittelt und die Differenz wird dann aus der Spalte “A“ der CSV-Datei ermittelt.
Die Zeitkonstante ist weniger einfach zu ermitteln. Sie ergibt sich bei dieser Strecke aus der Zeit vom Beginn der Änderung des Istwertes, bis zum Erreichen von 63%
ihrer Sättigung bzw. ihres Maximalwertes, da es sich hierbei um eine Sättigungsfunktion handelt. Hier muss aber noch berücksichtigt werden, dass der Istwert zu Beginn der Aufzeichnung eine Temperatur von z.B. 20 °C haben kann.
Das hat zu Folge, dass dieser Wert bei der Berechnung mit berücksichtigt werden muss. Wenn man also von einer Anfangstemperatur von z.B. 20 °C ausgeht und eine Temperatur bei einer Stellgrößenänderung von 60 °C erreicht, dann ergibt sich die Verzugszeit bei einem Wert von 63% der Differenz (60 °C – 20 °C) plus dem
Anfangswert von
20 °C.
Es ist aber in den wenigsten Fällen davon auszugehen, dass genau dieser Wert in der CSV-Datei steht. Die Bedingung im Programm sieht vor, dass die Zeit einfach ausgelesen wird, wenn genau dieser Wert auch in der Spalte “B“ der CSV-Datei steht. Wenn dieses nicht der Fall ist, dann wird in einer Schleife der nächste Wert ausgelesen, welcher größer ist als der benötigte. Nachdem dieser ausgelesen ist, wird auch der Wert ausgelesen, der in der Zeile davor steht. Die Zeiten dieser beiden Werte in der Spalte “A“ werden auch ausgelesen, um dann die benötigte Zeit durch eine Linearisierung zu bestimmen. Daraufhin erscheinen die ermittelten Werte in den TextBoxen des Frame6.
Beispiel zur Ermittlung der Zeitkonstante TS:
Gegeben:
y(11) ist der Wert in Zeile 11, der größer ist als der benötigte Wert y(10) ist der Wert in Zeile 10, der kleiner ist als der benötigte Wert x(11) ist die Zeit für den Wert, der größer ist als der benötigte Wert x(10) ist die Zeit für den Wert, der größer ist als der benötigte Wert
y(63%) ist der Wert, an dem 63% der Differenz plus Anfangswert erreicht sind
Gesucht:
x(63%) ist die Zeit, an dem 63% der Differenz plus Anfangswert erreicht sind
Berechnung:
Gradengleichung: y = mx + b mit b = 0
(10) (11)
(10) (11)
x x
- y m y
−
=
(10)
-(10)
y m x
b = ⋅
m b
x y(63%)
(63%) =
Abbildung 5.16: Der Frame6 zur Optimierung des Reglers
Gleichzeitig wird durch die ermittelten Parameter die Tangente an der Sprungantwort der Strecke angelegt, damit der Anwender auch sicher gehen kann, dass die Ermittlung der Parameter richtig gelaufen ist.
Streckenverstärkung KR
Totzeit Tt
Zeitkonstante TS
Button zur Optimierung nach Takahashi
Button zur Optimierung nach Ziegler und Nichols Button zur Auswertung der Streckenparameter
Abbildung 5.17: Anlegen der Tangente an der Sprungantwort
Da der zeitliche Bereich in x-Richtung ziemlich groß ist, da die Prozesse von sehr langer Dauer sein können, hat man hier die Möglichkeit die Aufzeichnung in x-Richtung zu zoomen. Die Plus- und Minus-Button sind oben links auf der Form zu erkennen und verdoppeln oder halbieren den Bereich, je nachdem, ob man das Bild vergrößern oder verkleinern möchte. Der Anwender kann somit die Aufzeichnung besser erkennen.
Abbildung 5.18: Zoom-Funktion in der PictureBox
Die ermittelten Werte können jetzt dazu genutzt werden, den Regler zu optimieren.
Dazu hat der Anwender die Möglichkeit, das Verfahren nach Takahashi oder Ziegler und Nichols auszuwählen. Dazu klickt der Anwender auf einen der Buttons und die ermittelten Werte werden für die optimalen Parameter des Reglers, wie schon im Kapitel 4 erwähnt, berechnet und für den ausgewählten Regler in die Steuerung geschrieben. Der Ablauf zum Optimieren des Reglers ist in der folgenden Abbildung zu sehen.
Abbildung 5.19: Ablauf zur Regleroptimierung
In der Prozedur des Klick-Ereignisses wird allerdings noch eine Bedingung gestellt.
Da bei der GEA TDS meistens kein D-Anteil des PID-Reglers genutzt wird, muss die Berechnung der optimalen Parameter den Regler wie einen PI-Regler behandeln.
Dazu wird einfach eine Abfrage gestartet, die in der TextBox des D-Anteils in der Form frmReglerauswahl prüft, ob eine Null enthalten ist. Wenn eine Null in der TextBox steht, führt die Prozedur die Berechnung für einen PI-Regler durch, ansonsten für einen PID-Regler.
Nach dem Schreiben der optimalen Werte in die Steuerung erscheinen die Werte im Frame1 der Form frmReglerauswahl.
Auswertung der Sprungantwort
Regler Stellglied
Istwert
System zur Auswertung der Streckenparameter
Strecke
u x
Reglerentwurf
y
_
Strecken- parameter
Sollwertgeber
e w
Die weiteren Buttons unter der PictureBox auf dieser Form werden nicht mehr behandelt, da sie die gleichen Funktionen haben wie die Buttons auf der Form frmReglerauswahl. Einzige Ausnahme ist der Zurück-Button, der den Anwender auf die vorherige Form bringt und den Regler wieder auf Automatik-Betrieb stellt.