Aufgabe und Ziel dieser Bachelorarbeit ist es, in einem virtuellen Modell des Antriebsstranges die Instabilität der Regelung zu erzeugen und die Ursachen zu verstehen. Auf Basis dieses Modells können dann in einer späteren Arbeit Lösungsmöglichkeiten erarbeitet werden.
Nicht nur aufgrund der zerstörerischen Kräfte von Drehschwingungen in einem Antriebsstrang, sondern auch hinsichtlich Komfortgesichtspunkten, wie zum Beispiel Lärmminderung, ist die Schwingungsdämpfung ein weit verbreitetes Thema in der Forschung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass Methoden zur Schwingungsdämpfung allerdings auch das Gegenteil bewirken können: Ein Antriebsstrang mit einer Drehzahlregelung weist in der Realität ein instabiles Verhalten auf, es kommt zu einem gefährlichen Aufschaukeln der Drehschwingungen beziehungsweise Eigenfrequenzen im Antriebsstrang.
In dieser Arbeit wurde mithilfe des Simulationsprogrammes Matlab in einem virtuellen Modell eines Papiermaschinen-Antriebsstranges eine instabile Drehzahlregelung erzeugt. Eine Drehzahlregelung versucht, trotz Störungen, eine konstante Soll-Winkelgeschwindigkeit in einem Antriebsstrang durch eine Änderung des Drehmomentes einzuhalten.
Mit der Erweiterung des virtuellen Modells des PI-Reglers mit einem Totzeitglied wurde eine künstliche Verzögerung in das regelungstechnische Berechnungsmodell hineingebracht und damit dessen Realitätsnähe bewirkt. Der Parameter Totzeit hat einen Einfluss auf die Stabilität/ Instabilität der PI-Regelung. Hierzu wurde die Eigenfrequenz f0 des PI-Reglers betrachtet, die einen Wert von 18 Hz aufweist. Für eine Totzeit von 0,025s wurde also beim PI-Regler eine Instabilität erzeugt. Zusätzlich mussten für die Proportionalkonstante KP eher größere Werte und für die Integralkonstante KI eher kleinere Werte eingegeben werden. Auch nur mit einem reinen P-Regler und einer Totzeit von 0,025s weist das System eine Instabilität auf. Hingegen wird bei einem reinen I-Regler und einer Totzeit von 0,025s die Regelkreiseinrichtung wieder stabil. Die Stabilität des PI-Reglers wurde im virtuellen Modell bei einer Totzeit von 0,025s auch mit einer Vergrößerung der Dämpfungskonstante dGW erreicht. Der Einfluss des Motorträgheitsmomentes JM und der Federkonstante cGW kann aufgrund deren Einfluss auf die Eigenfrequenz des Systems nicht so einfach festgelegt werden. Das Walzenträgheitsmoment JW hat keinen Einfluss auf die Stabilität beziehungsweise Instabilität der PI-Regelung mit Totzeit.
Inhaltsverzeichnis
- Danksagung
- Inhaltsverzeichnis
- Abkürzungsverzeichnis
- 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
- Abbildungsverzeichnis
- Literaturverzeichnis
- Anhang A
- A.1 PMAntrieb-Datei
- A.2 M_M-Datei
- A.3 PMAntrieb2-Datei
- A.4 PMAntrieb-Haupt-Datei
- A.5 PMAntrieb3-Datei
- Anhang B
- B.1 PMAntrieb-Datei
- B.2 PMAntriebhistory-Datei
- B.3 PMAntrieb-Haupt-Datei
- Modellierung des Antriebsstranges
- Simulation der Drehzahlregelung
- Analyse der Systemdynamik unter verschiedenen Regelungsansätzen
- Optimierung der Reglerparameter
- Untersuchung des Einflusses von Totzeiten auf das Systemverhalten
- Kapitel 2 führt in die Thematik der elektrischen Antriebe ein und beleuchtet den Aufbau und die Eigenschaften des Asynchronmotors. Der Fokus liegt dabei auf der Drehzahlregelung und der Funktionsweise des Frequenzumrichters.
- Kapitel 3 widmet sich den Grundlagen der Regelungstechnik. Es werden verschiedene Regelungsarten sowie die Stabilität und Instabilität von Reglern behandelt.
- Kapitel 4 gibt einen Überblick über die relevanten Forschungsarbeiten zu Drehschwingungen und deren Dämpfung in Antriebssystemen.
- Kapitel 5 beschreibt das Berechnungsmodell des Antriebsstranges einer Papiermaschine. Die Systemgleichungen werden unter verschiedenen Regelungsansätzen aufgestellt.
- Kapitel 6 befasst sich mit der Lösung der Systemgleichungen mithilfe von Matlab. Es werden die Ergebnisse der Simulationen für die verschiedenen Regelungsansätze präsentiert.
- Kapitel 7 analysiert die Ergebnisse der Simulationen und bewertet die Stabilität und Performance der verschiedenen Regelungsansätze.
- Kapitel 8 erweitert das Modell um die Berücksichtigung von Totzeiten und zeigt die Auswirkungen auf das Systemverhalten.
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Simulation eines Antriebsstranges für eine Papiermaschine mit Hilfe von Matlab. Ziel ist es, die dynamischen Eigenschaften des Antriebsstranges unter verschiedenen Regelungsansätzen zu analysieren und zu optimieren. Die Arbeit soll somit einen Beitrag zum Verständnis der komplexen Zusammenhänge im Antriebssystem einer Papiermaschine leisten.
Zusammenfassung der Kapitel
Schlüsselwörter
Asynchronmotor, Frequenzumrichter, Drehzahlregelung, Regelungstechnik, PID-Regler, Stabilität, Instabilität, Drehschwingungen, Totzeit, Simulation, Matlab, Papiermaschine, Antriebsstrang.
- Quote paper
- Elena Nicola Jenner (Author), 2015, Simulation eines Antriebsstranges mit Drehzahlregelung mithilfe von Matlab, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/520681
