Dokument 1 - Dokumentenserverhosting der SUB

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Diplomarbeit
Kristof Sannmann
Konzeptionierung einer zeitoptimierten Temperaturregelung für einen Temperatursensormessplatz
Fakultät Technik und Informatik
Department Informations- und
Elektrotechnik
Faculty of Engineering and Computer Science
Department of Information and
Electrical Engineering
Kristof Sannmann
Konzeptionierung einer zeitoptimierten Temperaturregelung
für einen Temperatursensormessplatz
Diplomarbeit eingereicht im Rahmen der Diplomprüfung
im Studiengang Informations- und Elektrotechnik
Studienrichtung Automatisierungstechnik
am Department Informations- und Elektrotechnik
der Fakultät Technik und Informatik
der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Betreuender Prüfer : Prof. Dr. Ing. H. G. Klinger
Zweitgutachter : Prof. Dr. Ing. A. Suhl
Abgegeben am 18. Dezember 2009
Kristof Sannmann
Thema der Diplomarbeit
Konzeptionierung einer zeitoptimierten Temperaturregelung für einen
Temperatursensormessplatz
Stichworte
Zeitoptimierte Temperaturregelung, Trajektorienplanung, RS-232, LabVIEW, Softwareregler, Zweipunktregler
Kurzzusammenfassung
Diese Arbeit umfasst die Planung und Realisierung einer zeitoptimierten Temperaturregelung eines Temperatursensormessplatzes.
Die Arbeit basiert auf der Theorie der Zustandsregelung mit einer abgewandelten Trajektorienplanung.
Die Realisierung des Reglers erfolgte in LabVIEW. Der Regler besteht aus einer Vorregelung, bedingt durch die abgewandelte Trajektorienplanung und einem Zweipunktregler zur Sollwerthaltung.
Kristof Sannmann
Title of the thesis
Conceptual design of a time-optimised temperature regulation for a temperature sensor
measuring place
Keywords
Time-optimised temperature regulation, planning of a trajectory, RS-232, LabVIEW,
software regulator, two-point regulator
Abstract
This work encloses the planning and realisation of a time-optimised temperature
regulation of a temperature sensor measuring place.
The work is based on the theory of the state regulation with a modified planning of a
trajectory.
The realisation of the regulator was programmed in LabVIEW. The regulator consists
of a preregulation, conditioned by the modified planning of a trajectory and a twopoint regulator for holding the setpoint.
Inhaltsverzeichnis
VERZEICHNIS DER FORMELZEICHEN UND ABKÜRZUNGEN .... 1
VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN .............................................. 2
1.
EINLEITUNG ............................................................................. 3
2.
DER MESSPLATZ..................................................................... 6
2.1 Beschreibung und Funktionalität des Messplatzes...................................... 6
2.2 Die Julabo-Anlage ............................................................................................ 8
2.3 Beschreibung von LabVIEW / LabNET ........................................................... 9
2.3.1 LabVIEW ..................................................................................................... 9
2.3.2 LabNET ..................................................................................................... 10
2.4 Der KTY – Temperatursensor........................................................................ 11
2.5 Beschreibung des Temperiermediums Galden D02TS............................... 13
2.6 Die RS-232-Schnittstelle ................................................................................ 14
3.
THEORETISCHES KONZEPT................................................. 15
3.1 Die Idee ............................................................................................................ 15
3.2 Theoretische Grundlagen .............................................................................. 17
3.2.1 Trajektorienplanung................................................................................... 17
3.2.2 Zweipunktregler......................................................................................... 19
3.3 Untersuchung der Regelstrecke ................................................................... 20
4.
PRAKTISCHE UMSETZUNG DES KONZEPTS ..................... 23
4.1 Messung der Temperaturumschaltwerte ..................................................... 23
4.2 Programmieren in LabView ........................................................................... 24
4.2.1 Schnittstelle zwischen Softwareregler und LabNET ................................. 26
4.2.2 Initialisierung und Verbindung mit LabNET (State 1 und 2)...................... 27
4.2.3 Vorregelung mit LookUp-Tabelle (State 3, 4 und 5) ................................. 28
4.2.4 Zweipunktregler zur Sollwerthaltung (State 6) .......................................... 31
4.3 Test des Softwarereglers ............................................................................... 32
5.
ZUSAMMENFASSUNG........................................................... 33
LITERATURVERZEICHNIS............................................................ 34
ANHANG ........................................................................................ 35
VERSICHERUNG ÜBER DIE SELBSTSTÄNDIGKEIT .................. 36
0
Verzeichnis der Formelzeichen und Abkürzungen
R
Sensorwiderstand (Ohm)
ρ
spezifischer Widerstand des Si-Vollmaterials
(Ohm*cm)
d
Durchmesser
T
Zeitkonstante
te
Transitionszeit, benötigte Zeit für einen
Arbeitspunktwechsel
w
Sollwert
w0
momentaner Sollwert
we
anzufahrender Sollwert
x
Regelgröße
xE
Endwert der Regelgröße
+xL
oberer Grenzwert der Regelgröße
-xL
unterer Grenzwert der Regelgröße
y(0)
Ausgangsgröße des Regelkreises zum Zeitpunkt t=0
y(te)
Ausgangsgröße des Regelkreises zum Zeitpunkt t=te
COM-Schnittstelle
Kommunikationsschnittstelle
DAQ-Hardware
Datenerfassungshardware
DUT
Device Under Test (Messobjekt)
GPIB
General Purpose Interface Bus
I-Glied
Integralglied
LabNET
Labornetzwerk (Softwareanwendung)
LSB
least significant bit
MSB
most significant bit
PID-Regler
Proportional-Integral-Differential-Regler
PT-1-Strecke
Proportionalstrecke 1. Ordnung
Si
Silizium
VI
virtual instrument
1
Verzeichnis der Abbildungen
Abbildung 1-1 Übersicht Temperatursensormessplatz ............................... 3
Abbildung 1-2 Prüfplatine mit aufgelöteten Temperatursensoren ............... 4
Abbildung 1-3 Prüfsockel mit angeschweißten Temperatursensoren ......... 4
Abbildung 1-4 Aufschwingen des Systems bei negativen Temperaturen.... 5
Abbildung 2-1 Messbereiche des Messplatzes........................................... 6
Abbildung 2-2 Messturm für Sensormessung............................................. 7
Abbildung 2-3 Tiefkälte-Umwälzthermostat ................................................ 8
Abbildung 2-4 Skizze des Anlagenaufbaus ................................................ 8
Abbildung 2-5 LabVIEW – Frontpanel ........................................................ 9
Abbildung 2-6 LabVIEW-Flussdiagramm mit Symbolen ............................. 9
Abbildung 2-7 LabNET – Oberfläche.........................................................10
Abbildung 2-8 Parameterlisten Editor mit Beispieldaten ............................11
Abbildung 2-9 Messung des spezifischen Widerstandes von Halbleitern mit
Hilfe der „Ein-Spitzen-Methode“ ................................................................12
Abbildung 2-10 Änderung der spezifischen Leitfähigkeit von Silizium mit der
Temperatur T ............................................................................................13
Abbildung 2-11 Übertragungsmuster RS-232-Schnittstelle........................14
Abbildung 3-1 Konventionelle Kaskadenregelung .....................................15
Abbildung 3-2 Zustandsreglung am Rührkesselbeispiel ............................16
Abbildung 3-3 Beispiel für den Verlauf einer Solltrajektorie .......................17
Abbildung 3-4 Kennlinie a) und Verlauf eines Ausgangssignals xa(α) b)....19
Abbildung 3-5 Regelkreis bestehend aus einem PT-1-Element und einem
Zweipunktregler ........................................................................................19
Abbildung 3-6 Visual Basic Programm zum Steuern des Thermostaten....20
Abbildung 3-7 Sprungantwort der Regelstrecke ........................................21
Abbildung 3-8 Simulationsplan des Regelkreises......................................21
Abbildung 3-9 Vergleich realer Temperaturverlauf (links) und Simulation
(rechts)......................................................................................................22
Abbildung 4-1 Flussdiagramm des Softwarereglers ..................................24
Abbildung 4-2 Statemachine .....................................................................25
Abbildung 4-3 Fileschnittstelle zum Empfang des Sollwertes, des
Temperaturbandes und des Startbefehls ..................................................26
Abbildung 4-4 State 1, Initialisierung .........................................................27
Abbildung 4-5 State 2, Fileschnittstelle auslesen ......................................28
Abbildung 4-6 State 3, Auswahl ................................................................29
Abbildung 4-7 State 4, Kühlen 100%.........................................................30
Abbildung 4-8 State 5, Heizen 100%.........................................................30
Abbildung 4-9 State 6, Temperatur halten mit Zweipunktregler .................31
Abbildung 4-10 Genauigkeit des Softwarereglers bei +150°C ...................32
2
1. Einleitung
In dieser Arbeit geht es um die Neukonzipierung einer Temperaturregelung
eines Temperatursensormessplatzes. Dieser Messplatz steht in einem
Prüflabor der Firma NXP Semiconductors, einem führenden Unternehmen
in der Welt der dynamischen Medientechnologien. Hier werden
verschiedenste Sensoren, wie z.B. ABS -, Winkel -, oder
Temperatursensoren auf ihre Lebensdauer und Funktionsweise getestet.
An diesem Temperaturmessplatz werden Temperatursensoren vom Typ
KTY auf ihre korrekte Funktionsweise getestet.
Abbildung 1-1 Übersicht Temperatursensormessplatz
Da zu dieser Sensorfamilie mehrere Sensortypen für unterschiedlichste
Anforderungen und Temperaturbereiche gehören, ist der Messplatz in zwei
Bereiche aufgeteilt, einem Hochtemperaturbereich bis +250°C und einem
Bereich für Tief- und Mitteltemperaturmessungen (-50°C bis +150°C).
Die Steuerung der Messung und Messplatzanlagen erfolgt mittels
LabVIEW, einem Softwarepaket zur Messung und Steuerung
verschiedenster Problemstellungen. Die Kommunikation zur Steuerung der
Temperieranlage erfolgt über eine RS-232-Schnittstelle, die
Kommunikation der Messgeräte erfolgt über einen GPIB-Bus.
Vor Beginn der Tests werden die Sensoren auf eine Prüfplatine
(Abbildung 1-2) oder auf einen Prüfsockel (Abbildung 1-3) gelötet.
Anschließend werden die Platinen bzw. die Sockel über elektrische
Anschlüsse auf einen GPIB-Bus (General Purpose Interface Bus) geführt
und mit den nötigen Messgeräten verbunden. Zur Durchführung der
Messung werden die Platinen oder Sockel dann in eine temperierte
Flüssigkeit getaucht.
3
Die Temperatur der Flüssigkeit wird momentan mit einem PID-Regler
(Proportional-Integral-Differential-Regler) geregelt.
Abbildung 1-2 Prüfplatine mit aufgelöteten Temperatursensoren
Abbildung 1-3 Prüfsockel mit angeschweißten Temperatursensoren
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf dem Tief- und
Mitteltemperaturmessbereich, da der dort eingesetzte PID-Regler nicht
zufrieden stellend in dem gesamten Messbereich regelt.
In diesem Bereich müssen vier wesentliche Temperaturen angefahren
werden:
1. –50°C
2. –40°C
3. +25°C
4. +150°C
Der momentan eingesetzte PID-Regler ist ein fester Bestandteil der
Temperieranlage, die in Kapitel 2 vorgestellt wird, und wurde von der
Herstellerfirma mit einem voreingestellten Parametersatz geliefert.
Für die positiven Temperaturen ist der voreingestellte Parametersatz sehr
gut eingestellt; der Sollwert wird schnell angefahren und ohne
Überschwingen mit einer Genauigkeit von ± 0,02°C im Rahmen der
anlageninternen Messung gehalten.
4
Allerdings treten bei negativen Temperaturen große Probleme auf; sie
reichen von großen Überschwingern mit danach folgenden langen
Einschwingzeiten bis zum Aufschwingen des Systems (siehe dazu
Abbildung 1-4).
Temperaturkurve
(Istwert)
Sollwert
Verlauf der
Stellgröße
(Kühlleistung)
Abbildung 1-4 Aufschwingen des Systems bei negativen Temperaturen
Ziel dieser Arbeit ist es, jede nötige Temperatur des Messbereiches
möglichst schnell und ohne Überschwingen zu erreichen.
Aus diesem Grund ist es notwendig, ein Konzept aufzustellen, welches für
den gesamten Messbereich geeignet ist.
5
2. Der Messplatz
2.1 Beschreibung und Funktionalität des Messplatzes
Der Messplatz besteht aus zwei Temperierbädern, die in unterschiedlichen
Arbeitsbereichen arbeiten.
Bad 1 ist ein Bad, welches in einem Bereich von –50°C bis +150°C
betrieben wird. Bad 2 kann bei Temperaturen von +100°C bis +250°C
betrieben.
Beide Bäder sind komplette Systeme der Firma Julabo, d.h. zu jedem Bad
gehört eine eigene Reglereinheit.
Bad 1 ist sowohl mit einer Kühlstufe als auch mit einer Heizstufe
ausgestattet, während hingegen Bad 2 nur mit einer Heizstufe ausgestattet
ist. In den Bädern befinden sich jeweils unterschiedliche
Temperierflüssigkeiten, die den jeweiligen Arbeitsbereichen angepasst
sind. In Bad 1 befindet sich die Flüssigkeit Galden D02TS, eine
dielektrische Flüssigkeit.
Abbildung 2-1 Messbereiche des Messplatzes
Die Messung erfolgt durch die in einem Messturm eingebauten
Messgeräte.
Es wird durch eine Konstantstromquelle ein Strom von 1 mA in die zu
messenden Sensoren eingeprägt.
Mit einem Spannungsmessgerät wird die Spannung an den Sensoren
gemessen.
6
Mit diesen beiden Werten werden in LabVIEW die Widerstandswerte
berechnet und in einer Messdatei abgelegt.
Verbindung zu den
zu messenden
Bauteilen
Spannungsmessgerät
Konstantstromquelle
Steuer-PC
Abbildung 2-2 Messturm für Sensormessung
7
2.2 Die Julabo-Anlage
Die als Bad 1 beschriebene Anlage ist ein Tiefkälte-Umwälzthermostat der
Firma Julabo.
Abbildung 2-3 Tiefkälte-Umwälzthermostat
Mit dieser Anlage ist es möglich sowohl zu Heizen als auch zu Kühlen. Sie
ist mit einem Thermostaten und Kühlkompressor ausgestattet. Im
Thermostaten sind außerdem der interne PID-Regler und die
Messelektronik, sowie das Interface der RS-232-Schnittstelle
untergebracht.
Unterhalb der Elektronik sind das Heizelement und eine Umwälzpumpe
angebracht.
Das interne Badgefäß hat ein Fassungsvermögen von 24 Liter.
Die Anlage kann in einem Temperaturarbeitsbereich von -60°C bis +150°C
mit einem Ethanol-Wasser-Gemisch betrieben werden.
Zur Verdeutlichung des Anlagenaufbaus ist in Bild 2-4 eine Aufbauskizze
zu sehen, die die Anordnung der Anlagenbestandteile aufzeigt.
Thermostat
DUT
Pump
∆T
Heater
int. temp.sensor
Cooler
Abbildung 2-4 Skizze des Anlagenaufbaus
8
2.3 Beschreibung von LabVIEW / LabNET
2.3.1 LabVIEW
LabVIEW ist ein grafisches Programmiersystem. Mit ihm ist es möglich mit
sogenannten virtuellen Instrumenten (VI), ein Programm
zusammenzuklicken. Ebenfalls kann man mittels LabVIEW
Datenerfassungshardware (DAQ-Hardware) ansteuern und somit komplexe
Messinstrumente simulieren, so dass hier Kosten erheblich reduziert
werden können und hohe Flexibilität entsteht.
Die Haupteinsatzbereiche sind damit die Mess- und Regeltechnik.
Nach dem Starten von LabVIEW erscheinen zwei Fenster, einmal das
sogenannte Frontpanel, das für die Ein- und Ausgabe gedacht ist, und
einmal das sogenannte Flussdiagramm, in dem die eigentliche
Programmierung stattfindet.
Abbildung 2-5 LabVIEW – Frontpanel
In dem Flussdiagramm kann man per Drag & Drop aus einer Werkzeugliste
Symbole von Funktionen oder Variablen platzieren und sie danach, wenn
erforderlich miteinander verbinden.
Abbildung 2-6 LabVIEW-Flussdiagramm mit Symbolen
9
2.3.2 LabNET
LabNET ist eine Eigenentwicklung der Firma A.M.S. Software GmbH, die
auf LabVIEW basiert. LabNET steht für Labornetzwerk. Es ist ein
Messprogramm zur Erfassung, Visualisierung und Speicherung von
Messdaten der im Labor eingesetzten Messplätze.
Anzeige der
Messergebnisse
Eingabe des zu
messenden
Sensors
Auswahl des
Messprogramms
und Anzahl der
Prüflinge
Abbildung 2-7 LabNET – Oberfläche
Die Messabläufe werden durch benutzerdefinierte Skripte (Jobs) und
Parameterlisten gesteuert.
Abbildung 2-8 Job-Editor mit Beispieldaten
10
Die Jobs steuern den eigentlichen Messablauf während die Parameterlisten
die für einen Messablauf notwendigen Einstellungen beinhalten.
Abbildung 2-8 Parameterlisten Editor mit Beispieldaten
Die Kommunikation mit der Hardware erfolgt durch Treiber, die ebenfalls in
LabVIEW programmiert sind.
2.4 Der KTY – Temperatursensor
Der KTY – Temperatursensor basiert auf dem Prinzip des „Spreading –
resistance“
Der Begriff „Spreading – resistance“ oder „Ausbreitungswiderstand“ stammt
von einem Verfahren zur Messung des spezifischen Widerstandes von
Halbleiterscheiben nach der „Ein – Spitzen – Methode“ (Abbildung 2-9).
11
Dieser Widerstand R ist gegeben durch:
R=
ρ
π *d
(Gl. 2-1)
Wobei:
R Sensorwiderstand (Ohm)
ρ Spezifischer Widerstand des Si – Vollmaterials (Ohm * cm)
d Durchmesser der Messspitze (cm)
Abbildung 2-9 Messung des spezifischen Widerstandes von Halbleitern mit Hilfe der „EinSpitzen-Methode“
Seine Messung ist unabhängig von der Dicke und dem Durchmesser der
Scheibe, solange „d“ dagegen vernachlässigbar klein ist. Durch
Einschnürung der Stromlinien in Messspitzennähe spielt der lokale
spezifische Widerstand in diesem Gebiet eine bestimmte Rolle. Weiterhin
wird der Kontaktwiderstand zwischen Halbleiter und Metall mitgemessen.
Der temperaturabhängige Widerstand besteht bei
KTY - Temperatursensoren aus dem Vollsiliziummaterial des Substrates.
Es ist ein wesentliches Merkmal des KTY - Temperatursensors, dass er
keinen pn-Übergang enthält. Was den Leistungsmechanismus betrifft,
befindet man sich im Si – Einkristall bei normaler Temperatur im Bereich
der Störstellenerschöpfung, d.h. alle Störstellen sind ionisiert. Eine
Erhöhung der Temperatur ist nicht mit einer Erhöhung der
Ladungsträgeranzahl verbunden, und auf Grund der Verminderung der
Ladungsträgerbeweglichkeit durch Phononenstreuung nimmt die
12
Leitfähigkeit ab. Der KTY – Temperatursensor hat somit einen positiven
Temperaturkoeffizienten (Bild 2-6).
Der Temperaturbereich der Störstellenerschöpfung ist bei höherer
Temperatur durch das Einsetzen des Eigenleitungsprozesses und bei
niedriger Temperatur durch den Bereich der Störstellenreserve begrenzt.
Dies ergibt die natürliche Grenze des Messbereichs des
KTY – Temperatursensors.
ln(
1
)
ρ / Ωm
Eigenleitung
Störstellen- Störstellenreserve
erschöpfung
1
500 K
1
60 K
1
T
Abbildung 2-10 Änderung der spezifischen Leitfähigkeit von Silizium mit der Temperatur T
2.5 Beschreibung des Temperiermediums Galden D02TS
Das in Bad 1 verwendete Temperiermedium heißt Galden D02TS.
Dieses Medium ist ein dielektrisches Testfluid, welches keine Schäden an
elektrisch empfindlichen Bauteilen hervorruft.
Dieses Fluid kann in einem Temperaturbereich von -97°C bis +165°C
eingesetzt werden.
Im Anhang (A 1) ist eine Tabelle mit den physikalischen Eigenschaften zu
finden.
13
2.6 Die RS-232-Schnittstelle
Das Timingdiagramm (Bild 2-11) zeigt ein Beispiel, wie ein Zeichen
übertragen wird. Zunächst liegt der Ruhepegel an. Der Ruhezustand der
Übertragungsleitung, der auch mit „Mark“ bezeichnet wird, entspricht dem
Pegel einer „logischen 1“. Als Erstes wird das Startbit logisch „0“ („Space“)
gesendet, um den Empfänger mit dem Sender synchronisieren zu lassen.
Die (zeitliche) Dauer der jeweiligen Bits hängt von der eingestellten Bitrate
ab, welche bei der EIA-232 gleich der Baudrate ist.
Darauf folgen 5 bis 8 Datenbits (Nutzdaten). Angefangen wird mit den LSB
(least significant bit) und beendet mit dem MSB (most significant bit). In
diesem Beispiel werden 8 Datenbits gesendet. Nun folgt optional ein ParityBit, welches zur Erkennung von Übertragungsfehlern dient. Das Paritätsbit
bewirkt, dass bei gerader („EVEN“) Parität immer eine gerade bzw. bei
ungerader („ODD“) Parität eine ungerade Anzahl von „1“-Bits übertragen
wird. Es gibt also die Möglichkeiten „E“ wie even parity oder „O“ wie odd
parity oder kein Parity-Bit entsprechend „N“ wie no parity. Weiterhin kann
das Paritätsbit immer gesetzt („M“ wie mark parity) oder immer gelöscht
(„S“ wie space parity) sein. Abgeschlossen wird die Übertragung mit ein
oder zwei Stoppbits logisch „1“. Die folgende Ruhezeit darf beliebig lang
sein (hier im Beispiel ist sie ein halbes Bit lang).
Abbildung 2-11 Übertragungsmuster RS-232-Schnittstelle
14
3. Theoretisches Konzept
3.1 Die Idee
Die Idee der Neukonzipierung der Regelung basiert auf der Theorie der
Zustandsregelung.
Sie beinhaltet eine Trajektorienplanung und zur Sollwerthaltung einen
Zweipunktregler.
Der Sollwert soll schnell und mit möglichst wenig Überschwingen erreicht
und gehalten werden.
Dafür wird zum Anfahren des Sollwerts 100% Leistung auf das Stellglied
gegeben. Ab einem bestimmten Punkt kurz vor dem Sollwert, wird die
Leistung 100% entgegengesetzt aufgeschaltet, damit die Temperatur
genau auf den Sollwert zuläuft.
Um den Sollwert zu halten, wird ein Zweipunktregler mit einem sehr
schmalen Toleranzband zugeschaltet.
Um einen kurzen Einblick in die Theorie der Zustandsregelung zu
bekommen, wird im folgenden Beispiel die konventionelle
Kaskadenregelung mit der Zustandsregelung verglichen.
Im folgenden Bild ist die traditionelle Regelung der Kaskade dargestellt. Die
Stellmaßnahme wird durch die Abweichung der Ausgangsgröße des
zweiten Reaktors von der vorgegebenen Führungsgröße bestimmt.
Abbildung 3-1 Konventionelle Kaskadenregelung
15
Das System bleibt in seiner äußeren Struktur für die Zustandsregelung
zunächst unverändert. Für die Bestimmung der Stellgröße wird nicht nur
die Ausgangsgröße des zweiten Reaktors herangezogen, sondern es
werden die inneren Zustände beider Reaktoren genutzt. Es ergibt sich
dann folgende Regelkreisstruktur:
Abbildung 3-2 Zustandsreglung am Rührkesselbeispiel
Die dargestellte Lösung setzt voraus, dass die Zustände gemessen
werden. Das ist nicht immer möglich; im allgemeinen Fall muss der
dargestellte Regelkreis noch um einen Zustandsbeobachter ergänzt
werden. Der Regelkreis mit Zustandsregler besitzt, vorausgesetzt die
Parameter werden günstig gewählt, eine bessere Dynamik als die
traditionelle Regelung.
Der dargestellte Regelkreis besitzt eine gewisse Ähnlichkeit zum
traditionellen Regelkreis mit Hilfsregelgröße. Der entscheidende
Unterschied besteht aber darin, dass der Regelkreis mit
Zustandsregler sich nicht als Kaskadenstruktur von einfachen Regelkreisen
darstellen lässt; für die Bestimmung jeder Stellgröße werden im
Allgemeinen alle Zustandsgrößen herangezogen.
16
3.2 Theoretische Grundlagen
In diesem Abschnitt wird die die Theorie zur Planung einer Solltrajektorie
für eine Folgeregelung vorgestellt.
Bei dieser Planung wird der Verlauf der Führungsgröße über einen
Zeitabschnitt als Ganzes festgelegt. Dieses wird durch den hier
verwendeten Begriff Solltrajektorie für den Verlauf der Führungsgröße in
einem bestimmten Zeitintervall verdeutlicht.
Die Solltrajektorie ist das Ergebnis einer Trajektorienplanung, die im
weiteren Verlauf dieses Kapitels beschrieben wird.
3.2.1 Trajektorienplanung
Die Trajektorienplanung kann überall dort angewendet werden, wo eine
Regelgröße in möglichst kurzer Zeit einen neuen Endwert annehmen und
dem vorgegebenen Verlauf der Führungsgröße möglichst gut folgen soll.
Der Verlauf der Führungsgröße ist im Voraus planbar und lässt sich in einer
so genannten „Look-up“-Tabelle speichern.
Abbildung 3-3 Beispiel für den Verlauf einer Solltrajektorie
Betrachtet man nun die Aufgabe, den Arbeitspunkt einer Anlage vom
aktuellen Wert w0 = 0 in den neuen Wert we zu überführen, müssen zwei
Forderungen erfüllt sein:
y ( 0) = 0
(Gl. 3-1)
und
y (te ) = we
(Gl. 3-2)
In der zweiten Forderung (Gl. 3-2) bezeichnet te die für den
Arbeitspunktwechsel notwendige Transitionszeit. Da der Arbeitspunkt für
t < 0 und t > te konstant sein soll, wird außerdem gefordert, dass die
Beziehungen
•
y ( 0) = 0
•
(Gl. 3-3)
und
y (te ) = 0
gelten.
17
(Gl. 3-4)
Bei der Planung einer Solltrajektorie müssen auch die Eigenschaften der
Regelstrecke berücksichtigt werden, denn man kann z.B. eine Flüssigkeit
nicht beliebig schnell von einer Temperatur auf eine andere Temperatur
aufheizen. Die hierfür notwendige Zeit wird maßgeblich durch die
Beschränkung der Heizleistung bestimmt.
18
3.2.2 Zweipunktregler
Ein idealer Zweipunktregler ist ein Schalter, der für positive
Eingangssignale ein konstantes Signal ausgibt und für negative
Eingangssignale ein konstantes negatives Signal. In Abbildung 3-4 sind die
für einen Zweipunktregler typische Kennlinie und ein beispielhafter
Signalverlauf zu sehen.
Abbildung 3-4 Kennlinie a) und Verlauf eines Ausgangssignals xa(α) b)
Reale Zweipunktregler haben stets eine Hysterese, das heißt, dass infolge
von z.B. Reibung oder magnetischen Einflüssen das Einschalten bei einem
höheren Wert der Eingangsgröße liegt als das Ausschalten.
Zur Verdeutlichung der Funktionsweise eines Zweipunktreglers ist in
Abbildung 3-5 ein Regelkreis bestehend aus einer PT-1-Strecke und einem
Zweipunktregler mit Hysterese zu sehen.
Abbildung 3-5 Regelkreis bestehend aus einem PT-1-Element und einem Zweipunktregler
Ohne Regler würde die Regelgröße x nach dem Einschalten verzögert
nach einer e-Funktion mit der Zeitkonstanten T auf den Endwert xE
ansteigen. Befindet sich der Regler an der Strecke, wobei der Sollwert auf
0 ≤ w ≤ xE eingestellt sei, so ist nach der Inbetriebnahme zunächst x = 0
und xE = w-x = w.
Daraus folgend schaltet nun der Zweipunktregler ein und die Regelgröße
steigt gemäß der Kennlinie an. Infolge der Hysterese schaltet der
Zweipunktregler beim erreichen des Sollwertes noch nicht ab, sondern erst
bei x = w + xL. Bei abgeschaltetem Regler fällt die Regelgröße wieder bis
19
auf den Wert x = w – xL ab um dann erneut einzuschalten. Dieser Vorgang
wiederholt sich periodisch.
3.3 Untersuchung der Regelstrecke
Zur Untersuchung der Regelstrecke wurde ein kurzes Programm mit
Microsoft Visual Basic entwickelt um Befehle an den Thermostaten
schicken zu können.
Abbildung 3-6 Visual Basic Programm zum Steuern des Thermostaten
Die Befehle werden über eine RS-232-Schnittstelle an den Thermostaten
geschickt.
Des Weiteren kann mit dem Programm der Temperaturverlauf des Bades
aufgenommen werden.
Nach Angaben des Herstellers hat die Regelstrecke ein PT-1-Verhalten.
Um diese Angabe zu Überprüfen, wurde eine Sprungantwort der
Regelstrecke aufgenommen.
Die Sprungantwort (Abbildung 3-7) weist jedoch kein PT-1-Verhalten auf
sondern ein I-Verhalten (Integralverhalten) mit einer sehr kleinen Totzeit.
20
Abbildung 3-7 Sprungantwort der Regelstrecke
Da die Sprungantwort in keiner Weise zu den Herstellerangaben passte,
wurde der Regelkreis inklusive PID-Regler in Matlab / Simulink simuliert.
Nach einigen Überlegungen konnte der Schluss gezogen werden, dass die
Regelstrecke durch ein I-Glied (Integral-Glied) mit einer internen
proportionalen Rückkopplung, bedingt durch Isolation des Bades,
dargestellt werden kann.
Abbildung 3-8 Simulationsplan des Regelkreises
21
Die Simulation gab sehr gut die reale Anlage wieder, was auch im
Vergleich (Abbildung 3-9) des Simulationsgraphen und des realen
Temperaturverlaufs gut zu erkennen ist.
Abbildung 3-9 Vergleich realer Temperaturverlauf (links) und Simulation (rechts)
22
4. Praktische Umsetzung des Konzepts
4.1 Messung der Temperaturumschaltwerte
Damit der unter LabVIEW programmierte Regler vernünftig arbeiten kann,
müssen die für die Vorregelung erforderlichen Umschaltwerte gemessen
werden.
Dazu wurden mittels des in Kapitel 3 vorgestellten Testprogramms die
jeweiligen Temperaturen mit 100% Leistung angefahren und kurz vor
Erreichen der Solltemperatur die Leistung auf -100% gesetzt, damit die
Temperaturkurve durch die in das Bad gegebene entgegengesetzte
Energie auf den gewünschten Sollwert zuläuft. Diese Vorgehensweise
wurde bei allen Sollwerttemperaturen angewendet, so dass die
Umschaltwerte nach mehreren Messungen ermittelt werden konnten. Die
nachfolgende Tabelle zeigt die ermittelten Umschaltwerte.
Sollwert
Umschalttemperatur Umschalttemperatur Endtemperatur
in °C (vorheriges
in °C (vorheriges
Heizen)
Kühlen)
in °C
150
149,5
-
149,95
25
24,45
-
25,03
25
-
25,92
25,05
-40
-41,0
-
-40,05
-40
-
-39,9
-40,04
-50
-
-49,8
-50,05
Tabelle 4-1 ermittelte Umschaltwerte zur Vorregelung
23
4.2 Programmieren in LabView
Vor Beginn der Programmierung wurde ein Flussdiagramm erstellt, um eine
Grundlage der Funktionsabläufe des Reglers zu bekommen.
Abbildung 4-1 Flussdiagramm des Softwarereglers
Anhand dieses Flussdiagramms wurde der Regler in LabVIEW realisiert. Er
besteht aus zwei wesentlichen Teilen, einmal einer Vorregelung mit
Look-up-Tabellen (in den Look-up-Tabellen sind die gemessenen
Umschaltwerte gespeichert) und einem Zweipunktregler zur
Sollwerthaltung. Einige Programmteile wurden nicht direkt im
Hauptprogramm, sondern in Unterprogrammen realisiert, die von dem
Hauptprogramm aufgerufen werden und je nach Funktion den
entsprechenden Rückgabeparameter liefern.
Das Hauptprogramm wurde durch eine Struktur realisiert, die sich
Statemachine nennt. Diese Statemachine ist ein Verbund aus einer whileSchleife, einer case-Struktur und einem Schieberegister. Die
Funktionsweise dieser Statemachine ist simpel, sie hat sowohl mehrere
24
Ein- als auch Ausgänge. Der wichtigste Ein- und Ausgang ist der
Zustandswähler; hier wird entschieden, welcher Zustand als nächstes
ausgeführt wird.
Schieberegister
Zustandswähler
While-Schleife
Case-Struktur
Abbildung 4-2 Statemachine
Folgende Zustände beinhaltet das Hauptprogramm:
State 1: Initialize
State 2: Read File
State 3: Auswahl
State 4: Kühlen 100%
State 5: Heizen 100%
State 6: Temp_halten
In den folgenden Unterkapiteln werden nun die Schnittstelle zwischen dem
Reglerprogramm und dem Messprogramm LabNET sowie die Abläufe und
die einzelnen Zustände erklärt.
Der Regler wird im Endzustand als eigenständige EXE-Datei im
Hintergrund ausgeführt werden, d.h. das Programm wird ständig auf dem
PC ausgeführt und erhält seine Befehle nur durch das übergeordnete
Messprogramm LabNET.
25
4.2.1 Schnittstelle zwischen Softwareregler und LabNET
Die Schnittstelle zu dem eigentlichen Messprogramm LabNET, wurde über
eine Fileschnittstelle im Binärformat realisiert. LabNET schreibt in eine
Binärdatei (SET_Temp.bin) den anzufahrenden Sollwert, das zu dem
Sollwert gehörende Temperaturband und den Befehl zum Starten des
Reglers.
Das Reglerprogramm liest diese Werte aus der Datei und startet
dementsprechend den Regler. Während der Ausführung wird von dem
Regler der ON-Status und zyklisch der Temperaturwert des Bades in eine
zweite Binärdatei geschrieben(GET_Temp.bin).
Diese Werte werden von LabNET ausgelesen und grafisch in Form eines
Kurvenverlaufs dargestellt.
Abbildung 4-3 Fileschnittstelle zum Empfang des Sollwertes, des Temperaturbandes und
des Startbefehls
26
4.2.2 Initialisierung und Verbindung mit LabNET (State 1 und 2)
Die Initialisierung (State 1) des Programms startet mit dem Öffnen der
COM-Schnittstelle (Kommunikationsschnittstelle).
Dieses wird durch einen VI-Aufruf (OpenRS232.vi) realisiert.
In diesem VI werden zunächst die Schnittstellenparameter wie Baudrate,
Parität etc. eingestellt. Danach wird die COM-Schnittstelle geöffnet und der
Schnittstellenname an das Hauptprogramm übergeben.
Nach dem Öffnen wird der Thermostat gestartet und die Leistung der
Stellgröße auf 0% gesetzt. Darauf folgend werden zunächst für den
Sollwert und das Temperaturband Defaultwerte eingestellt.
Abbildung 4-4 State 1, Initialisierung
Damit ist Initialisierungsvorgang abgeschlossen und es werden die
Vorgaben von LabNET abgefragt, d.h. es werden über die Fileschnittstelle
die Werte für den Sollwert und das Temperaturband eingelesen (State 2).
27
Außerdem wird hierüber auch der Startbefehl des Reglers empfangen. Zur
visuellen Unterstützung wird an das Display des Thermostaten der von
LabNET empfangene Sollwert geschickt.
Abbildung 4-5 State 2, Fileschnittstelle auslesen
4.2.3 Vorregelung mit LookUp-Tabelle (State 3, 4 und 5)
Nach dem Auslesen der LabNET-Vorgaben wird in State 3 (Auswahl)
zunächst der aktuelle Temperaturwert des Bades ausgelesen.
Anschließend wird aus dem Istwert und dem Temperaturband ein oberer
und ein unterer Grenzwert ermittelt. Diese werden mit dem Sollwert
verglichen. Ist der Sollwert kleiner als der untere Grenzwert, muss die
Temperatur abgesenkt werden, d.h. es wird State 4 (Kühlen 100%)
ausgewählt. Ist der Sollwert größer als der obere Grenzwert, muss die
Temperatur erhöht werden, d.h. es wird State 5 (Heizen 100%) ausgewählt.
Befindet sich der Sollwert innerhalb des zuvor berechneten Istwertbandes
des Bades, wird die Vorregelung übersprungen und der Zweipunktregler
(State 6) aktiviert.
28
Abbildung 4-6 State 3, Auswahl
Wurde in State 4 (Kühlen 100%) gewechselt, wird als Erstes die Stellgröße
vorgegeben, in diesem Fall 100% Kühlen. Direkt danach wird der
Temperaturwert des Bades ausgelesen. Dieser Wert wird mit einer
sogenannten Look-up-Tabelle verglichen. In dieser Look-up-Tabelle sind
die Umschaltwerte zur Umschaltung von Vorregelung auf Zweipunktregler
gespeichert. Wenn die Badtemperatur kleiner oder gleich dem
Umschaltwert ist, wird der Zweipunktregler (State 6) aktiviert, befindet sich
die Badtemperatur noch über dem Umschaltwert, wird weiterhin
kontinuierlich gekühlt und der Temperaturwert des Bades ausgelesen und
mit der Look-up-Tabelle verglichen.
29
Abbildung 4-7 State 4, Kühlen 100%
Da State 5 (Heizen 100%) das genaue Gegenteil von State 4 ist, ist der
Ablauf prinzipiell der Gleiche. Der Unterschied zu State 4 liegt nur im
Vergleich des Istwertes mit der Look-up-Tabelle. In State 5 wird geprüft, ob
der Istwert größer oder gleich dem Umschaltwert ist um danach
auszuwählen, ob der Zweipunktregler aktiviert werden muss oder ob
weiterhin geheizt werden muss.
Abbildung 4-8 State 5, Heizen 100%
30
4.2.4 Zweipunktregler zur Sollwerthaltung (State 6)
Der Zweipunktregler wird in einem VI ausgeführt, welches vom
Hauptprogramm zyklisch aufgerufen wird.
Der Zweipunktregler bildet aus dem Sollwert und dem Temperaturband die
Werte für den oberen und unteren Schwellwert, welche er für den Vergleich
mit dem Istwert braucht. Befindet sich der Istwert innerhalb des
Temperaturbandes gibt der Zweipunktregler 0% Leistung auf das Stellglied.
Liegt der Istwert über dem oberen Schwellwert, gibt der Zweipunktregler,
abhängig vom Sollwert Kühlleistung von bestimmter Größe auf das
Stellglied. Befindet sich der Istwert unter dem unteren Schwellwert, gibt der
Zweipunktregler, auch wieder abhängig vom Sollwert, Heizleistung von
bestimmter Größe auf das Stellglied.
Abbildung 4-9 State 6, Temperatur halten mit Zweipunktregler
31
4.3 Test des Softwarereglers
Der Test des Softwarereglers wird in diesem Abschnitt leider nicht
vollständig sein, da auf Grund von Ausfällen des Steuer-PCs und einer
Verunreinigung des Temperierfluids keine Tests möglich waren.
Der ausführliche Test wurde schon begonnen und wird im Anschluss dieser
Arbeit fortgeführt.
Es konnte mit dem Regler schon der Sollwert +150°C angefahren werden.
Der Sollwert wurde schnell und ohne Über- oder Unterschwinger erreicht.
Auch die Genauigkeitsansprüche konnten eingehalten werden.
Abbildung 4-10 Genauigkeit des Softwarereglers bei +150°C
32
5. Zusammenfassung
Die Ausgangssituation dieser Arbeit war die unzureichende
Temperaturregelung eines Testfluids durch einen PID-Regler.
Der zu regelnde Temperaturbereich reicht von -50°C bis +150°C.
Die Probleme, die bei der Regelung mit dem PID-Regler auftauchten,
reichten von langen Einschwingzeiten bis hin zum Aufschwingen des
gesamten Systems.
Aus diesem Grund wurde ein Regelungskonzept entwickelt, welches eine
vereinfachte, zeitoptimierte Zustandsregelung und eine Zweipunktregelung
miteinander kombiniert um möglichst schnell und ohne lange
Einschwingzeiten einen bestimmten Sollwert zu erreichen.
Die Grundidee besteht darin, zunächst mit voller Leistung das Stellglied zu
betreiben. An einem bestimmten Punkt, der durch Messungen bestimmt
wurde, wird genau die gegenteilige Leistung auf das Stellglied gegeben.
Dies hat zur Folge, dass die Temperaturkurve durch das Wechselspiel der
Leistungen genau auf den vorgegebenen Sollwert einläuft.
Um den Sollwert zu halten wird ein Zweipunktregler mit einem sehr
schmalen Temperaturband zugeschaltet.
Die Realisierung dieses Konzeptes erfolgte in LabVIEW.
Die ersten Tests, wie in Kapitel 4 beschrieben, brachten auch die
gewünschten Ergebnisse; der Sollwert wurde schnell und ohne lange
Einschwingzeiten erreicht.
Leider konnten die Tests im Zeitraum dieser Arbeit nicht abgeschlossen
werden, da es durch Ausfälle von Anlagenkomponenten zu erheblichen
Zeitverzögerungen kam.
Im Anschluss an diese Arbeit werden die Tests fortgeführt und
abgeschlossen.
33
Literaturverzeichnis
[1]
J. Lunze, Regelungstechnik 1, 6. Auflage, Springer
[2]
G.Schulz, Regelungstechnik 1, Oldenburg (2004)
[3]
Manfred Reuter / Serge Zacher, Regelungstechnik für Ingenieure,
12. Auflage (2008), Vieweg und Teubner
[4]
Betriebsanleitung Tiefkälteumwälzthermostate, Julabo Labortechnik
GmbH, Stand: Juni 2009
[5]
Datenblatt: Silicon Sensors for temperature measurement,
August 2000, Philips Semiconductors
[6]
Silizium, Temperatur- und Drucksensoren
Siemens Aktiengesellschaft, Stand 1990/91
[7]
LabNET Schulungsunterlagen der AMS-Software GmbH
[8]
M. Goldau, Programmieren mit LabVIEW
34
Anhang
A1
Tabelle der physikalischen Eigenschaften des Temperierfluids
Galden D02TS
A2
Visual Basic Quellcodes
A3
LabVIEW-Dateien
Die Anhänge A2 und A3 sind in elektronischer Form auf einer CD abgelegt,
die dieser Arbeit beiliegt.
35
Versicherung über die Selbstständigkeit
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit im Sinne der
Prüfungsordnung nach §25(4) ohne fremde Hilfe selbständig verfasst und
nur die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe. Wörtlich oder dem Sinn
nach aus anderen Werken entnommene Stellen habe ich unter Angabe der
Quellen kenntlich gemacht.
Hamburg, 18.12.2009
Kristof Sannmann
36
A1
Physikalische Eigenschaften des Temperierfluids
Galden
D02TS
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Thank you for your participation!

* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project

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