***************************************************************** * * * R E G E L S I M 2.1 * * ====================== * * * * Lern-Programm zur Simulation eines einschleifigen * * Standardregelkreises im Zeit- und Frequenzbereich * * * * Die Bedienungsanleitung gilt nur fr die Monochrom- * * version ! Durchlesen ist nicht zwingend notwendig, * * erleichtert aber das Verst„ndnis. Sollten einige * * Dinge nicht wie erwartet funktionieren, so ist das * * in den meisten F„llen durchaus beabsichtigt oder aber * * technisch nicht anders machbar. * * Im šbrigen bin ich fr Tips und Anregungen jederzeit * * dankbar und wnsche Ihnen viel Spaž mit dem Progamm! * * * * * Januar 1988 Jochen Schelberg * * * ***************************************************************** BEDIENUNGSANLEITUNG 1. Allgemeines Das vorliegende Programm ist als LERN-Programm gedacht und von daher in der Funktion etwas eingeschr„nkt. Trotzdem kann es fr viele Anwendungen sehr ntzlich sein. (z.B. šbertragungs- verhalten von Filtern etc.) Es wurde im Rahmen einer Arbeit an der RUB-Bochum erstellt und netterweise fr die Verbreitung im PD-Service freigegeben. Sollte jemand etwas daran auszusetzen haben oder vielleicht Anregungen bieten, so kann er sich an folgende Adresse wenden: Jochen Schelberg Sunderweg 3 5802 Wetter 1 Tel. 02335/2456 šbrigens: Die Nachfolgeversion 3.0 ist in Arbeit und bietet u.a. folgende Erweiterungen: - stark erweiterte šbertragungsfkt. - Wurzelortskurven - nichtlineare Glieder, Beschreibungsfkt. - beliebige Sollwert- und St”rgr”ženprofile 2. Die Diskette Auf der Diskette befindet sich der Ordner Regelsim 2_1, in dem sich die Ordner Regelsim und Regelsim.PIC sowie ein Readme-File befinden. Das Readme-File enth„lt diese Anleitung im ASCII-Format. Regelsim.PIC nimmt Bilder bzw. die zugeh”rigen Parameterdateien auf. Der Ordner "Regelsim" enth„lt das Bootprogramm sowie das File fr den Monochrommonitor. 3. Starten des Programmes Klicken Sie im Ordner "Regelsim" das File "Regelsim.PRG" an. Auf dem Bildschirm erscheint das Titelbild. Gleichztg. wird abgefragt, welcher Monitor angeschlossen ist, und das entsprechende File nachgeladen. Nach Beendigung des Ladevorganges befinden Sie sich im "Hauptbildschirm", dem Blockschaltbild. Von hier aus k”nnen dann s„mtliche Funktionen des Programmes aufgerufen werden. Zum Schutz vor Fehlstarts enth„lt das Programm eine Voreinstellung der wichtigsten Parameter. Regler und Strecke sind also bereits auf bestimmte Werte eingestellt. 4. Die Maus Zum Aufruf der Programmfunktionen werden beide Maustasten ben”tigt. Fr Einstellungen in der Menleiste wird wie blich nur die linke Taste benutzt. Im Parameterfeld haben Sie die Wahl zwischen beiden Tasten, wobei diese dann unterschiedliche Funktionen haben. Um dem Programm mitzuteilen, daž der Einstellvorgang beendet ist und ein neuer Berechnungs- und/oder Zeichenvorgang beginnen soll, mssen beide Tasten gleichzeitig gedrckt werden. Dies gilt fr alle Darstel- lungsarten. Die Tastatur wird vom Programm nicht benutzt und hat auch keinerlei Auswirkungen (einzige Ausnahme sind Betriebssystemfunktionen: Shift- Alternate-Control fhrt zum Programmende; Alternate-Help erzeugt eine Bildschirmhardcopy). 5. Die Mens 5.0 Allgemeines Die Mens werden wie gewohnt mit der Maus aufgerufen und bedient. Wird ein Meneintrag angeklickt, erscheint ein H„kchen davor und die entsprechenden Variablen werden ge„ndert bzw. die Funktion sofort ausgefhrt. Helle Meneintr„ge lassen sich nicht ausw„hlen. 5.1. Das Desk-Men Funktion: Das Desk-Men ist im GEM verankert und muž daher so bernommen werden. Da GfA-Basic jedoch in dieser Form noch keine Acc-Dateien verwalten kann, k”nnen diese Funktionen leider nicht benutzt werden. Wichtige Einstellungen wie Ramdisk oder Druckertreiber mssen also vor dem Start vorgenommen werden. Eintr„ge: *About* Zeigt den Programmtitel 5.2. Das Regler-Men Funktion: In diesem Men k”nnen Sie den gew. Regler einstellen. Es ist in allen Bildschirmen aktiv. Eintr„ge: *P,I; PD,PI,PID* Erzeugt die entsprechende šbertragungsfkt. und zeigt deren Parameter sofort an 5.3. Das Strecke-Men Funktion: Hier kann das šbertragungverhalten der Regelstrecke ver- „ndert werden. Die angezeigten Strecken k”nnen mit einer Ausnahme beliebig kombiniert werden: Die Allpažfunktionen lassen sich nicht mit den anderen PT- oder PD-Verhalten kombinieren Žnderungen k”nnen jedoch nur im Blockschaltbild und in der šbersichtsdarstellung vorgenommen werden Eintr„ge: *I-Glied* Schalterfunktion, reiner Integierer *D-Glied* Schalterfunktion, reiner Differenzierer *PT1-PT3* Verz”gerungsgl. 1.-3.Ord. mit reellen Polen *PD1-PD3* Vorhaltegl. 1.-3.Ord. mit reellen Nullst. *Allpaž1-3* PT1-3 + PD1 mit positiver Nullstelle *Kein PT,PD* kein Kommentar 5.4. Das Diagramm-Men Funktion: Das Men erlaubt den beliebigen Wechsel der Diagramme und ist immer aktiv. Bei einem Wechsel der Darstellung werden grunds„tzlich alle eingestellten Strecken- und Reglerpara- meter beibehalten. Eintr„ge: *Blockbild* Zeichnet das Blockschaltbild *Simulation* Erm”glicht die kontinuierliche Darstellung des Zeitverhaltens des Systems *šbergangsfkt.* Zeichnet die Sprungantwort des offenen oder geschlossenen Systems *Frequenzgg.* Zeichnet das Bodediagramm *Ortskurve* Zeichnet die Nyquist-Ortskurve *šbersicht* Zeichnet alle Diagramme auf einmal 5.5. Das Mažstab-Men Funktion: Erlaubt die Einstellung des gew. Darstellungsmažstabs Eintr„ge: *Automatic* *X-Y getr.* X- bzw. Y-Maž. werden getrennt berechnet *X-Y gleich* X- und Y-Mažstab werden zus. berechnet, wobei der h”here Wert ausschlaggebend ist. Der Mažstabsfaktor wird so gew„hlt, daž die Kurve immer in das Diagramm pažt. Die Aufteilung ist jedoch nur in der Ortskurve wirksam, im Bodediagramm ist es egal, welche Einstellung gew„hlt ist. *Standard1-3* Feste Skalierung mit versch. Aufl”sungen *Nichtl”schen* Schalterfunktion, erlaubt das šbereinander- legen mehrerer Kurven, jedoch nur in der Standardaufl”sung *Asympt.* Schalterfunktion. Zeichnet die Asymptoten des Frequenzganges ausschl. mit automat. Skalierung. Daher erscheint vor *X-Y getr.* ebenfalls ein H„kchen. 5.6. Das Option-Men Funktion: Damit k”nnen Sie weitere Nebenfunktionen des Programmes aufrufen. Eintr„ge: *Hardcopy* Erstellt eine Bildschirmhardcopy, der Aufruf ist auch mit Alt-Help m”glich *B. speichern* Speichert den aktuellen Bildschirm und alle Parameter auf Diskette. Der Suchpfad ist wahlfrei, es sollte jedoch die Ori- ginalaufteilung beibehalten werden. Wird keine Namensendung angegeben, wird diese autom. auf PIC bzw. DAT gesetzt. Die Bilder werden im Screenformat abge- speichert (auch wenn es nicht so aussieht) und k”nnen daher mit jedem Malprogramm weiterverarbeitet werden. *Bild laden* L„dt ein Bild. Es kann jederzeit jeder beliebige Bildschirm geladen werden, Menleiste und Parameterfeld werden autom. rekonstruiert. *Pause* Veranlažt eine Programmpause *Prg.Ende* Fhrt zum Desktop zurck 6. Das Parameterfeld Dieses Feld im oberen Teil des Bildschirms wird am Anfang des Programms einmal aufgebaut und danach nicht mehr ge„ndert. Hier k”nnen alle šber- tragungsparameter des Systems abgelesen oder eingestellt werden. Zur besseren šbersicht ist es dreiteilig organisiert: Bereich (I) : Hier werden die Reglerparam. angezeigt, also Regler- verst„rkung, Nachstellzeit und Vorhaltezeit Bereich (II) : Dies ist der Bereich fr die Streckenparameter. In der unteren Zeile befinden sich die Felder mit den Zeit- konstanten der šbertragungsglieder, oben rechts die Felder fr Totzeit und Streckenverst„rkung Bereich (III): Dieses Feld ist nur w„hrend der Simulation aktiv und enth„lt die Werte fr die St”rgr”že und den Sollwert. Grunds„tzlich k”nnen Regler- und Streckenparameter nur in Abh„ngigkeit vom jeweils eingestellten šbertragungsverhalten ge„ndert werden. Dazu verfgt das Programm ber 2 Einstellgeschwindigkeiten: Drcken der rechten Taste erh”ht(erniedrigt) die Werte in 0,1 bzw. 0,01 sec-Schritten bei den Zeitkonstanten . Ein Bet„tigen der linken Taste beschleunigt die Z„hlgeschwindigkeit um den Faktor 3, bei den Zeitwerten wird auf 0,1 sec-Schritte umgeschaltet Der Einstellbereich betr„gt: 0,01 - 99,99 sec bei den Strecken- und Reglerzeitkonstanten 0,01 - 99,99 bei den Verst„rkungsfaktoren 0 - 9 (sec) bei Totzeit und St”rgr”že -2 - 2 bei der Fhrungsgr”že (Sollwert) Um eine bessere Identifikation der šbertragungsglieder zu erm”glichen, werden beim Bode- und Nyquistdiagramm sowie in der šbersichtsdarstellung die Zeitkonst. der Strecke in Eckfrequenzen umgerechnet und angezeigt. 7. Die Bildschirme 7.0 Allgemeines Die Bildschirme werden ber das "Darst"-Men aufgerufen und zeigen das šbertragungsverhalten des Systems bzw. der Systemteile im Zeit- und Frequenzbereich. 7.1 Das Blockschaltbild Diese Darstellung zeigt als Startbildschirm im Wesentlichen das Block- schaltbild eines einschleifigen Standardregelkreises mit seiner Auf- teilung in Regler und Regelstrecke. Von hier aus k”nnen s„mtliche Funktionsaufrufe ber die Menleiste und das Parameterfeld vorgenommen werden. Tritt im Programm ein Fehler auf, so kann von hier aus weitergearbeitet werden. 7.2 Die Simulation Diese Funktion unterscheidet sich etwas von den brigen Darstellungen, da hier ohne Unterbrechung das Zeitverhalten des Systems dargestellt wird. Da die zur kontinuierlichen Darstellung notwendige Diskretisierung des Systems ber die Z-Transformation vorgenommen wird, sind folgende Einschr„nkungen bei der Wahl der Regelstrecke zu beachten: 1) Die Ordnung des Z„hlerpolynoms muž kleiner oder gleich der des Nennerpolynoms sein 2) Differenzierglieder k”nnen numerisch instabil werden (Unendlich- keitsstellen bei der šbergangsfunktion) Auf den Versuch, derartige Regelstrecken (1) zu simulieren, reagiert das Programm mit einer Fehlermeldung. Im zweiten Fall h„ngt es von den ge- w„hlten Parametern ab, ob das System berechnet wird oder nicht. Zum Bildschirmaufbau: Im oberen Diagramm wird der Sollwert und die Regelgr”že y gezeichnet, im mittleren die Regelabweichung e, im unteren die Stellgr”že u. Diese Werte werden auch rechts neben dem Diagr. unterhalb der System- zeit st„ndig angezeigt. Die Žnderung der Parameter kann entweder "statisch" oder "dynamisch" erfolgen: "Dynamisch" bedeutet, daž die Werte w„hrend des Einstellens bernommen und sofort verarbeitet werden (On-line-Simulation). "Statisch" bedeutet entsprechend, daž die Berechnung erst nach Best„t. durch Drcken beider Maustasten fortgesetzt wird (Off-line-Sim.). Ein St”rimpuls wird durch Anklicken des "St”rung"-Feldes ausgel”st. Das Feld bleibt dabei solange aktiv, bis die St”rung vom System aus- geregelt worden ist (Sollwert ñ3%). Das "Reset"-Feld schliežlich bedeutet im Instabilit„tsfall die letzte Rettung vor der Fehlermeldung. Diese Funktion versetzt die Simulation in den Ursprungszustand zurck, alle Werte werden auf Null gesetzt und ein Neustart durchgefhrt. Ist die Kurve am rechten Rand des Diagramms angelangt, wird dieses gel”scht und nach dem Neuaufbau mit den alten Werten weitergerechnet. Ein Neustart der Simulation ist also ausschliežlich ber das Resetfeld oder einen Bildschirmwechsel m”glich. Wird w„hrend des Durchlaufs eine alte Simulation geladen, kann leider nur nach einem Reset damit weitergearbeitet werden ("Fehler" in den Bildschirmroutinen des Interpreters, es entstehen L”cher durch die Fileselect-Box) 7.3 Die šbergangsfunktion Hier wird „hnlich wie bei der Simulation die Sprungantwort des Systems gezeichnet, das Diagramm jedoch nur einmal durchlaufen. Es sind folgende Optionen/Einstellungen m”glich: Der Y-Mažstab kann ber das Mažstab-Men ver„ndert werden (Standard1-3) Der Zeitbereich kann ber die Zahlenfelder rechts neben dem Diagramm eingestellt werden. Die Aufl”sung betr„gt dabei 50, 100, 250, 500 sec (von 1-10) Mit dem "STOP"-Feld kann der Durchlauf abgebrochen werden, Neustart ber beide Maustasten Ist das "G0"-Feld unterhalb des "STOP"-Feldes ausgew„hlt, wird die šbergangsfunktion des o f f e n e n Systems gezeichnet šber "Nichtl”schen" k”nnen mehrere Kurven dargestellt werden, jedoch nicht, wenn vorher das "STOP"-Feld bet„tigt wurde. Es ist auch m”glich, die Kurven des offenen und geschlossenen Systems zu berlagern, solange die Aufl”sung nicht ver„ndert wird Der Sollwert kann im Parameterfeld ver„ndert werden 7.4 Der Frequenzgang Hier wird das Frequenzverh. des Systems im Bereich von 0,01 - 100 Hz, aufgeteilt in Amplituden- und Phasengang, dargestellt. Die neben den Diagrammen angezeigten Werte erm”glichen wieder eine Identifikation der einzelnen Kurven. Die Skalierung der Y-Achsen erfolgt je nach Einstellung variabel oder fest. Ist der feste Mažstab gew„hlt worden, k”nnen ber die Funktion "N. l”schen" mehrere Kurven bereinandergezeichnet werden, wobei jedoch die šbersichtlichkeit entsprechend leidet. Schliežlich ist es auch m”glich, die Asymptotendarstellung ber das entsprechende Feld im "Mažstab"-Men zu aktivieren. Es werden dann ausschliežlich die Asymptoten des Frequenzgangs mit automatischer Skalierung gezeichnet. 7.5 Die Ortskurve Eine andere Darstellungsm”gl. des Frequenzgangs ist die Ortskurve, die den Real- und Imagin„rteil der einzelnen Werte zeichnet. Auch hier kann zwischen variabler und fester Skalierung gew„hlt werden: "X-Y getrennt" hat den Vorteil, daž Kurven mit extrem unterschiedl. Wertebereich in Real- und Imagin„rteil (z.B. PID-Regler) noch sichtbar gezeichnet werden. Der Nachteil ist , daž die Kurvenform verzerrt wird. Bei "X-Y gleich" ist es umgekehrt: Die Kurvenform bleibt erhalten, im Extremfall jedoch geht die Kurve in der Bildschirmaufl”sung unter. In der Standardeinstellung lassen sich wieder mehrere Kurven berein- anderlegen. 7.6 Die šbersicht In dieser Darstellung werden alle Diagramme gleichzeitig dargestellt. Dazu ist der Bildschirm viergeteilt: Unten links bzw. rechts ist das Bodediagramm bzw. die Ortskurve zu sehen, oben rechts die Sprungantwort des Gesamtsystems. Oben links wird schliežlich die šbertragungsfunktion der Strecke, die Art des Reglers, der Amplituden- und Phasenrand sowie die Stabilit„t des Regelkreises angezeigt. Da fr jedes Diagramm nur ca. 1/4 des gesamten Bildschirms zur Verfgung steht, ergeben sich hieraus einige Einschr„nkungen zur Wahrung der šbersichtlichkeit: 1) Im Bodediagramm werden jeweils nur die Kurven des Gesamtsystems gezeichnet (Amplitude und Phase) 2) Die Skalierung erfolgt ausschliežlich variabel 3) Eine Asymptotendarstellung ist nicht m”glich, da die Eckpunkte kaum noch zu erkennen sind 4) Die Sprungantwort wird wie in der Simulation berechnet, daher gelten hier die gleichen Beschr„nkungen bei der Auswahl der Strecke wie dort Zum Ausgleich k”nnen in der šbersicht alle Systemparameter ge„ndert werden, fr eine Žnderung der Streckenwerte braucht also nicht in das Blockschaltbild gewechselt werden! Die Stabilit„tsanalyse erfolgt nach dem Nyquistkriterium. Da jedoch das Programm die Kurvenwerte in Frequenzschritten berechnet, stellt diese Aussage leider nur einen N„herungswert dar und muž in nicht ganz eindeutigen F„llen von Hand nach- gerechnet werden. (Es kann vorkommen, das "stabil" angezeigt wird, der Kreis jedoch instabil ist und umgekehrt. Dann sind auch die Werte fr Amplituden- und Phasenrand mit Vorsicht zu geniežen) 8. Fehlerbehandlung Das Programm ist so konzipiert, daž eine Fehlbedienung weitgehend ausgeschlossen ist. Trotzdem k”nnen Fehler auftauchen, die meist aus einer šberschreitung des zul„ssigen Rechenbereichs herrhren (insbesondere bei Ortskurven reiner PD-Glieder oder instabilen Regelkreisen bei der Simulation). In diesen F„llen wird in eine Fehlerroutine verzweigt, die ein Weiterarbeiten vom Blockschaltbild aus erm”glicht. Sollte der Rechner jedoch auf keinerlei Eingaben mehr reagieren (NACH dem Zeichnen!), hilft nur noch die Resettaste. Anm.: In dieser Version sind mir keine prinzipiellen Fehler mehr bekannt. Ungereimtheiten drften daher im Wesentlichen auf einige Unzul„nglichkeiten des GfA-Basic zurckzufhren sein.