Simulation eines Antriebsstranges mit Drehzahlregelung mithilfe von Matlab

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Elektrische Antriebe

2.1 Allgemein

2.2 Asynchronmotor

2.2.1 Aufbau

2.2.2 Eigenschaften

2.2.3 Drehzahlregelung

2.3 Frequenzumrichter

2.3.1 Funktion

2.3.2 Aufbau

2.3.2.1 Überblick

2.3.2.2 Gleichrichter

2.3.2.3 Zwischenkreis

2.3.2.4 Wechselrichter

2.3.2.5 Steuerkarte

3 Regelungstechnik

3.1 Allgemein

3.2 Regelung und Steuerung

3.3 Grundstruktur des Regelkreises

3.4 Das Zeitverhalten von Regelstrecken

3.5 Verzögerungsglieder

3.6 Das Zeitverhalten von Reglern

3.6.1 P-Regler

3.6.2 I-Regler

3.6.3 D-Anteil

3.6.4 Der PID-Regler

3.7 Stabilität und Instabilität von Reglern

4 Literaturüberblick zu Drehschwingungen und deren Dämpfung

5 Berechnungsmodell des Antriebsstranges einer Papiermaschine

5.1 Aufbau

5.2 Aufstellen der Systemgleichungen

5.2.1 Allgemein

5.2.2 Steuerung mit vorgegebenem Momentverlauf

5.2.3 Regelung mit P-Regler

5.2.4 Regelung mit PI-Regler

5.2.5 Regelung mit PID-Regler

6 Lösen der Systemgleichungen

6.1 Das Matlab-Programm

6.2 Allgemeine Lösung

6.3 Steuerung mit vorgegebenem Momentverlauf

6.4 Regelung mit P-Regler

6.5 Regelung mit PI-Regler

6.6 Regelung mit PID-Regler

7 Ergebnisse

7.1 Plausibilitätsprüfung

7.2 Steuerung mit vorgegebenem Momentverlauf

7.3 Regelung mit P-Regler

7.3.1 Stabile Regelung

7.3.2 Instabile Regelung

7.4 Regelung mit PI-Regler

7.4.1 Stabile Regelung

7.4.2 Instabile Regelung

7.5 Regelung mit PID-Regler

7.5.1 Stabile Regelung

7.5.2 Instabile Regelung

8 Erweiterungen des Modells mit Totzeit

8.1 Geändertes Modell

8.2 Lösen der Systemgleichungen

8.3 Ergebnisse

9 Zusammenfassendes Fazit und Ausblick

Zielsetzung & Themen

Das primäre Ziel dieser Bachelorarbeit ist die Erstellung eines virtuellen Modells des Antriebsstranges einer Papiermaschine, um darin gezielt die Instabilität der Regelung zu erzeugen und die zugrunde liegenden Ursachen zu verstehen.

• Mechanische Modellbildung eines Antriebsstranges
• Regelungstechnische Analyse von P-, PI- und PID-Reglern
• Simulation von Systemverhalten und Instabilitäten mithilfe von Matlab
• Einfluss des Messortes der Regelgröße auf die Systemstabilität
• Erweiterung der Simulationsmodelle um Totzeitglieder

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einleitung: Definition des Antriebsstranges, Vorstellung des Realitätsmodells einer Papiermaschine und Erläuterung der Zielsetzung zur Modellierung von Instabilitäten.

2 Elektrische Antriebe: Erläuterung der Grundlagen elektrischer Motoren, insbesondere Asynchronmotoren und deren Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichtern.

3 Regelungstechnik: Abgrenzung von Steuerung und Regelung sowie Beschreibung des Zeitverhaltens von Regelstrecken und diversen Reglertypen.

4 Literaturüberblick zu Drehschwingungen und deren Dämpfung: Zusammenfassung aktueller Forschungsansätze zur aktiven und passiven Dämpfung von Torsionsschwingungen.

5 Berechnungsmodell des Antriebsstranges einer Papiermaschine: Herleitung der mathematischen Beschreibungen und Systemgleichungen für verschiedene Reglerkonfigurationen.

6 Lösen der Systemgleichungen: Beschreibung der numerischen Implementierung der aufgestellten Modelle in Matlab.

7 Ergebnisse: Darstellung und Diskussion der Simulationsergebnisse zur Stabilität und Instabilität der verschiedenen Regelungsarten.

8 Erweiterungen des Modells mit Totzeit: Analyse der Auswirkungen einer künstlichen Zeitverzögerung auf das Systemverhalten.

9 Zusammenfassendes Fazit und Ausblick: Zusammenfassende Bewertung der Simulationsergebnisse und Ausblick auf weiterführende Optimierungsmöglichkeiten.

Schlüsselwörter

Antriebsstrang, Papiermaschine, Drehzahlregelung, Asynchronmotor, Frequenzumrichter, Regelungstechnik, Simulation, Matlab, PID-Regler, Drehschwingungen, Instabilität, Totzeit, Eigenfrequenz, Systemgleichungen, Torsionsschwingung

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?

Die Arbeit befasst sich mit der Simulation eines Antriebsstranges einer Papiermaschine und der Untersuchung von Regelungsinstabilitäten.

Was sind die zentralen Themenfelder?

Die Arbeit verknüpft die Bereiche elektrische Antriebstechnik, klassische Regelungstechnik und mathematische Simulation.

Was ist das primäre Ziel der Arbeit?

Das Ziel ist es, in einem virtuellen Computermodell Instabilitäten der Regelung gezielt zu provozieren, um deren Ursachen besser zu verstehen.

Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?

Es werden mathematische Modelle (Differentialgleichungen) erstellt, die anschließend mit der Software Matlab numerisch gelöst und simuliert werden.

Was wird im Hauptteil behandelt?

Der Hauptteil umfasst die Herleitung der Systemgleichungen für verschiedene Regler (P, PI, PID) sowie deren Simulation und die Analyse des Einflusses von Totzeiten.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Die Arbeit ist durch Begriffe wie Antriebsstrang, Regelung, Simulation, Stabilität und Schwingungsdämpfung gekennzeichnet.

Wie lässt sich bei einem PI-Regler im Modell eine Instabilität erzeugen?

Eine Instabilität kann durch eine Verlagerung des Messortes der Ist-Größe vom Motor auf die Walze sowie eine Reduzierung der Dämpfung erreicht werden.

Welchen Einfluss hat das Walzenträgheitsmoment auf die PI-Regelung?

Nach den Ergebnissen dieser Arbeit hat das Walzenträgheitsmoment keinen Einfluss auf die Stabilität oder Instabilität der PI-Regelung.

Warum wird in Kapitel 8 ein Totzeitglied eingeführt?

Durch das Totzeitglied wird eine künstliche Verzögerung in das Modell eingebracht, um die Realitätsnähe zu erhöhen und die Auswirkungen zeitverzögerter Reaktionen im Regelkreis zu untersuchen.