Realisierung eines universellen PID-Reglers mit Multisim und Ultiboard

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"Durch die Einrichtung eines PC Mess- und -Regelungstechnikpraktikums und der dazu gehörigen Produkte von National Instruments sind unsere Schüler in der Lage, die Regelungstechnik anschaulich zu begreifen. "

- Claus Wrissenberg , Lette-Verein Berlin

The Challenge:
Es ist eine Temperatur von 36°C in der vorgegebenen „blauen Wärmebox“ konstant zu halten.

The Solution:
Simulation des geschlossenen Regelkreises mit Multisim und Aufnahme des geregelten Ergebnisses mit Hilfe der Sprungantwort. Realisierung des PID-Reglers mit Ultiboard. Optimierung des realen Regelkreises und Aufnahme von Daten mit Hilfe des PC-Messplatzes.

Author(s):
Claus Wrissenberg - Lette-Verein Berlin
Sibylle Seidel - Lette-Verein Berlin
Manfred Maletzki - Lette-Verein Berlin

Inhaltliche Voraussetzungen

Die Grundbegriffe der Regelungstechnik (RT) werden zunächst mit Hilfe eines Signalflussbildes(Block-Diagramm) vermittelt. Anhand dieses Block-Diagramms soll das Wesen einer Regelung, das „Messen-Vergleichen-Nachstellen“ verdeutlicht werden.
Kenntnisse über Invertierende Grundschaltungen, Differenzspannungsverstärker (Vergleichsstelle), Proportional-, Integrier- und Differenzierglied (Regler) werden im Fach „Elektronische Schaltungstechnik“ vermittelt.
Die Stromlaufpläne werden mit Multisim realisiert. Das Zeitverhalten der Regelstreckenglieder wird mit Sprung- bzw. Anstiegsantworten und Bode-Diagramm
simuliert dargestellt und ausgewertet. Weitere Voraussetzungen sind Kenntnisse zu den
Themen:

  • Sprungantwort und Bode-Diagramm der wichtigsten Regelstrecken
  • Sprungantwort und Bode-Diagramm kombinierter Regler


Vorüberlegungen zur Temperaturregelung

Die vorgegebene „Blaue Wärmebox“ wird als Temperaturregelstrecke identifiziert und mit drei entkoppelten Tiefpässen simuliert. Die Analyse der Regelstrecke erfolgt mit Hilfe der Sprungantwort und des Bode-Diagramms. Die Auswahl des Reglers ergibt einen PID-Regler mit unabhängig voneinander einstellbaren Koeffizienten, weil verschiedene Optimierungsverfahren kennen gelernt werden sollen. Der Regler wird für einen großen Anwendungsbereich dimensioniert und mit Multisim geprüft.
Geschlossener Regelkreis: Es wird die simulierte Regelstrecke eingefügt und der Regelkreis mit vier verschiedenen Verfahren:

  • aus den dynamischen Kenngrößen
  • mit den Bode-Diagrammen von Strecke und Regler
  • aus den kritischen Werten und
  • durch Abgleich mittels Simulation (Multisim) optimiert (Vgl.: Abbildung 3)

 

Durchführung, Realisierung Universeller PID-Regler

Nach der Entflechtung (Fotoplott mit Ultiboard) des Reglers und Herstellung der Reglerplatine wird eine Funktionskontrolle der Einstellbereiche vorgenommen.

Fotoplott (Druckvorlage für die Herstellung der Platine) vgl.: Abbildung 4


Messsystem

Mit LabVIEW werden die VI`s „Temperatur Sollwertsteller“ und „Temperatur Anwendung“(mit SMS-Funktion) programmiert.
Temperatur Sollwertsteller (vgl.: Abbildung 5)


Kennwerte der realen Regelstrecke

Von der Regelstrecke werden Ersatztotzeit und die Anlaufzeit bestimmt; die drei Einstellwerte für den Regler errechnet und realisiert (vgl: Abbildung 6)


Inbetriebnahme des realen Regelkreises

Der Messplatz mit Strecke und Regler wird aufgebaut, der Regelkreis geschlossen und die voreingestellten Reglerwerte durch Abgleich optimiert. Die vorgegebene Temperatur wird überwacht. Sollwert Temperatursprung von 33° C auf 36° C und geregelte Temperatur (vgl: Abbildung 7).


Author Information:
Claus Wrissenberg
Lette-Verein Berlin
Viktoria-Luise Platz 6
Berlin 10777
Germany
Tel: +49 30 - 219 94 500
c.wrissenberg@lette-verein.de

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