Rapid Control Prototyping: Methoden und Anwendungen GERMAN

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    27-Dec-2016

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  • Dirk Abel Alexander Bollig

    Rapid Control Prototyping

  • Dirk Abel Alexander Bollig

    Rapid ControlPrototyping

    Methoden und Anwendungen

    Mit 230 Abbildungen und 16 Tabellen

    123

  • Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk AbelDr.-Ing. Alexander Bollig

    RWTH AachenInstitut fr RegelungstechnikSteinbachstrae 5452074 AachenDeutschland

    email: D.Abel@irt.rwth-aachen.deA.Bollig@irt.rwth-aachen.de

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    ISBN-10 3-540-29524-0 1. Aufl. Springer Berlin Heidelberg New YorkISBN-13 978-3-540-29524-2 1. Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York

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    Satz: Digitale Druckvorlage der AutorenHerstellung: LE-TEX Jelonek, Schmidt & Vckler GbR, LeipzigUmschlaggestaltung:medionet AG, BerlinGedruckt auf surefreiem Papier 7/3142/YL - 5 4 3 2 1 0

  • Vorwort

    Rapid Control Prototyping, ein englischer Titel fur ein deutschsprachiges Lehr-buch warum eigentlich? Unter Control, dem die deutsche Sprache bedau-erlicherweise keinen entsprechenden und dabei alle Aspekte enthaltenen Be-griff entgegenzusetzen hat, verstehen wir in unserem Umfeld etwa die geziel-te Beeinflussung dynamischer, vorrangig technischer Systeme. Dies umfasstgeratetechnische Realisierungen, die solches leisten, und auch Methoden zuderen Entwurf. In beiderlei Hinsicht gewinnt der Digitalrechner fur Controlunaufhaltsam an Bedeutung: Fur die Realisierung von Regelungen, Steuerun-gen oder Automatisierungen als ausfuhrendes Gerat und fur die Entwurfsme-thodik als Plattform fur zunehmend leistungsfahigere Softwarewerkzeuge.

    Rapid Prototyping bedeutet in diesem Zusammenhang, beide Aspekte,namlich Entwurf und Realisierung zusammenzubringen und unter Einsatzsehr leistungsfahiger, jedoch in der Bedienung auch anspruchsvoller Hard-ware/ Software-Umgebungen einen geschlossenen Entwicklungsprozess zu ge-nerieren. Wie auch bei der konventionellen Vorgehensweise setzt dabei derEntwurf auf der Analyse und mathematischen Beschreibung der zu regelnden,zu steuernden oder zu automatisierenden Systeme auf, so dass kontinuierlicheund ereignisdiskrete Modellierungsansatze sowie Verfahren zur experimentel-len Identifikation dynamischer Systeme behandelt werden. Wahrend die inanderen Lehrveranstaltungen und -buchern in deutlich groerem Umfang be-handelte Theorie zum Regelungs- und Steuerungsentwurf nur in Grundzugenangesprochen wird, werden Verfahren zur Simulation dynamischer Systeme(mit konzentrierten Parametern) starker beleuchtet. Dabei werden auch dievielfaltigen Einsatzmoglichkeiten von Software-Werkzeugen vermittelt, die ne-ben einer automatischen Programmcode-Generierung fur Steuergerate aus derEntwicklungsumgebung heraus so genannte Hardware-in-the-Loop- bzw.

    Software-in-the-Loop-Simulationen zulassen.Die Lehrveranstaltung Rapid Control Prototyping, fur die das erste Manu-

    skript dieses Buches verfasst wurde, erfreut sich einer fakultatsubergreifendenHorerschaft der RWTH Aachen: Studierende des Maschinenbaus, der Elek-trotechnik, der Informatik und des Studienganges Computational Engineering

  • VI

    Science finden hier zusammen und sehen die Inhalte sicherlich aus unterschied-lichen Blickwinkeln und mit unterschiedlichen Interessensschwerpunkten. Die-se Interdisziplinaritat auch wenn die unterschiedlichen Vorkenntnisse derHorer gerade in der Anfangsphase der Lehrveranstaltung zusatzliche Hurdenbringen ist gerade typisch fur den Charakter, den die Automatisierungs-technik heute aufweist und dem durch entsprechende Lehrveranstaltungenund Lehrbucher in der Ausbildung Rechnung getragen werden muss.

    Unser herzlicher Dank gilt den Mitarbeitern des Instituts fur Regelungs-technik der RWTH Aachen, deren Engagement und Beitrage zur Erstellungdes ersten Manuskripts fur dieses Buch wir sehr schatzen. Unter Koordina-tion von Dr. Axel Schloer sind Thomas Notges, Dr. Philipp Orth, ThomasPaulus, Felix Richert und Dr. Joachim Ruckert namentlich zu nennen.

    Aachen, Dirk Abelim November 2005 Alexander Bollig

  • Inhaltsverzeichnis

    1 Einfuhrung und Uberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Entwicklungsprozesse fur Automatisierungslosungen . . . . . . . . . 4

    1.2.1 Klassische Entwicklungsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.2 Entwicklungsprozess mit Rapid Control Prototyping . . . 7

    1.3 Der Systembegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.4 Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.5 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    1.5.1 Doppelpendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.5.2 Dreitank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    1.6 Rechnerwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.6.1 Matlab/Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    2 Beschreibung dynamischer Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2 Lineare Differentialgleichungen mit konstanten Koeffizienten . . 252.3 Laplace-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.4 Anwendung der Laplace-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.5 Frequenzgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.6 Darstellung von Frequenzgangen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.7 Lineare Regelkreisglieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

    2.7.1 P, I, D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.7.2 PI, PD, PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.7.3 PT1, PT2, PTn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.7.4 DT1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.7.5 PTt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

    2.8 Lineare Differenzengleichungen mit konstanten Koeffizienten . . 612.9 Z-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632.10 Zustandsraum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652.11 Darstellung dynamischer Systeme mit Matlab . . . . . . . . . . . . . 72

  • VIII Inhaltsverzeichnis

    3 Physikalische Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773.1 Kontinuierliche Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

    3.1.1 Aufstellen von Differentialgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . 803.1.2 Wirkungsplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853.1.3 Modularisierte Umsetzung in Simulink . . . . . . . . . . . . . . 89

    3.2 Ereignisdiskrete Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943.2.1 Eigenschaften von Beschreibungsmitteln . . . . . . . . . . . . . . 943.2.2 Graphen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 963.2.3 Statecharts (Harel-Graphen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003.2.4 Petrinetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1093.2.5 Weitere Beschreibungsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

    3.3 Hybride Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1193.3.1 Getrennte Modellierung am Beispiel Stateflow . . . . . . 1223.3.2 Erweiterungen von Beschreibungsmitteln . . . . . . . . . . . . . 127

    3.4 Modellabstraktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1313.4.1 Diskrete Abstraktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1323.4.2 Kontinuierliche Abstraktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

    4 Identifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1374.1 Grundlagen, Ziele und Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1374.2 Nichtparametrische Identifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

    4.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1404.2.2 Frequenzgangmessung mit determinierten Signalen . . . . 1404.2.3 Fourier-Transformation und FFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1424.2.4 Frequenzgangmessung mit stochastischen Signalen . . . . . 149

    4.3 Parametrische Identifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1544.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1544.3.2 Nichtrekursive Parameterschatzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1574.3.3 Rekursive Parameterschatzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1614.3.4 Parameterschatzung am Einfachpendel . . . . . . . . . . . . . . . 1634.3.5 Interpretation geschatzter Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . 1684.3.6 Identifikation bei adaptiver Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . 175

    4.4 Anwendung parametrischer Identifikationsverfahren aufnichtparametrische und nichtlineare Prozessmodelle . . . . . . . . . . 1794.4.1 Gewichtsfolgenschatzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1794.4.2 Identifikation nichtlinearer Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

    4.5 Abtasttheorem nach Shannon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1844.6 Praktischer Einsatz mit einem Software-Werkzeug . . . . . . . . . . . 195

    5 Grundzuge des Regelungs- und Steuerungsentwurfs . . . . . . . . 1975.1 Regelungstechnik vs. Steuerungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1975.2 Grundlagen Regelkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

    5.2.1 Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1995.2.2 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

    5.3 Entwurfsverfahren fur Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

  • Inhaltsverzeichnis IX

    5.3.1 Entwurf der Regelkreisstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2065.3.2 Entwurf der Reglerstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2085.3.3 Entwurf der Reglerparameter einschleifiger Regelkreise . 2085.3.4 Weitere Entwurfsverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

    5.4 Grundlagen Steuerkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2355.4.1 Begriffsdefinitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2365.4.2 Steuerungsziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2385.4.3 Steuerungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

    5.5 Entwurfsverfahren diskreter Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2415.5.1 Heuristischer Entwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2415.5.2 Modellgestutzte Entwurfsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

    6 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2556.1 Modelle und Ziele der Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2556.2 Simulation kontinuierlicher Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

    6.2.1 Verfahren zur Simulation kontinuierlicher Prozesse . . . . . 2576.2.2 Werkzeuge zur Simulation kontinuierlicher Prozesse . . . . 269

    6.3 Diskrete Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2806.4 Hybride Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

    6.4.1 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2856.4.2 Matlab/Simulink/Stateflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

    7 Rapid Control Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2957.1 Anforderungen an ein RCP-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2957.2 Echtzeitprogrammierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2977.3 Entwicklungsphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

    7.3.1 Systemsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3027.3.2 Software-in-the-Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3037.3.3 Hardware-in-the-Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3047.3.4 Zusammenfassung Entwicklungsphasen . . . . . . . . . . . . . . . 305

    7.4 Codegenerierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3057.5 Hardware-/Software-Konfigurationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

    7.5.1 The MathWorks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3117.5.2 dSPACE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....

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