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System Design - Index | Book Contents |
Preface (German)
Vorwort
Regelungstechnik ist von höchster Bedeutung für moderne technische
Systeme. Die Vorteile verbesserter Regelungen sind in vielen Industrien
bedeutend, in manchen entscheidend: Höhere Produktqualität,
reduzierter Energieverbrauch, Verringerung von Abfall- und
Nebenprodukten, weniger Emissionen und größere Sicherheit.
Eine Schwierigkeit liegt allerdings darin, daß viele der Methoden
und Ergebnisse der Regelungstechnik ein fundiertes Wissen
fortgeschrittener Mathematik voraussetzen. Die Entwicklung einer
mathematischen Systemtheorie gehört sicherlich zu den großen
Errungenschaften der Wissenschaften im 20. Jahrhundert. Ihre
industrielle Bedeutung wird aber entscheidend von der Größe der
wirtschaftlichen Vorteile bestimmt, die sich durch ihre praktische
Umsetzung ableiten lassen. Mit diesem Buch versuchen wir, ein
ausgewogenes Verständnis von Analyse, Synthese, Design und
Zielkonflikten zu vermitteln, welches eine grundlegende Voraussetzung für
die erfolgreiche Anwendung regelungstechnischen Wissens ist.
Ein Großteil unserer Inspiration, dieses Buch zu schreiben, kommt
aus den Erfahrungen der industriellen Projekte, die die Autoren durchgeführt
haben. In einem typischen Projekt fanden wir uns bald in hydro- oder
thermodynamischen Untersuchungen verwickelt, erlebten die negativen
Auswirkungen nicht-konstanter SPS-Abtastzeiten, setzten uns mit
Systemintegration und Netzwerkprotokollen auseinander, bauten Vertrauen
zum Schichtpersonal und überdachten Methoden, wie man vorläufige
Reglerkandidaten auf gefährlichen Anlagen sicher testen kann. Kurz, wir
erlebten die tägliche Spannung, Frustration, Rückschläge und Erfolge,
die bei dem kommerziellem Einsatz von Advanced Control entstehen. Es ist
keine einfache Aufgabe und sie stellt zahlreiche interdisziplinäre
Anforderungen. Aber es ist eine befriedigende und spannende Arbeit,
welches wir auch mit diesem Buch zu vermitteln hoffen.
Das Buch ist auch als ein Beitrag zur kontinuierlichen
Weiterentwicklung des regeltechnischen Lehrplans gedacht, einem Thema,
dem besonders in letzter Zeit viel internationale Aufmerksamkeit
gewidmet wird. So ist zum Beispiel eine 'Special Section' zur Erneuerung
des Lehrplans kürzlich im IEEE Control Systems Magazine erschienen.
Selbstverständlich wird ein Lehrplan nicht nur durch Bücher
erneuert - es geschieht vor allem durch die beteiligten Menschen:
Studenten, Professoren, Forscher, industrielle Anwender und Reviewers.
Es wird auch gemeinsam vieler neu-überdachter Bücher, Laborübungen,
Simulationen und webbasierender Methoden bedürfen, die von
verschiedenen oder sich gegenseitig komplementierenden Ansätzen
ausgehen. Wir hoffen, daß auch das vorliegende Buch einen Beitrag dazu
leisten kann, den regelungstechnischen Lehrplan zu revitalisieren und
das Interesse an diesem überaus wichtigen und spannenden Fachbereich zu
erhalten und verstärken.
Wir betonen allerdings auch, daß dieses kein rezeptartiges 'How-To'
Buch ist. Es ist eine umfassende, häufig komprimierte Darlegung der
rigorosen Regelungstechnik. Durchaus benutzen wir zu diesem Zweck
mathematische Methoden, um den zu regelnden Prozess zu modelieren,
seine Eigenschaften bei Rückopplung zu analysieren, einen Regler mit
gewünschten Eigenschaften zu
synthetisieren und um dann schließlich zu einem Design zu gelangen, das
die Begrenzungen und Zielkonflikte des konkreten Falles berücksichtigt.
Wir sind davon überzeugt, daß erfolgreiche Prozeßregelung auf der
kreativen Vereinigung zweier
fundamentaler Voraussetzungen beruht. Erstens, ein gutes Verständnis
des zu regelnden Prozesses und der dafür relevanten physikalischen,
chemischen und anderen Prinzipien; und zweitens, ein solides Wissen
fundamentaler Eigenschaften von Signalen, Systemen und Rückkopplung.
Typischerweise beträgt der Beitrag des Ersteren circa 50% des
Gesamtaufwandes. Es ist allerdings unmöglich, jeden denkbaren Prozeß
in einem regelungstechnischen Buch zu beschreiben; schließlich
würde dieses u.a. alle Prozesse der chemischen Industrien, der
Luftfahrt, der Robotik, des
Energiesektors sowie der medizinisch-technischen Anwendungen umfassen.
Daher konzentriert sich das Buch notwendigerweise auf den zweiten
Aspekt, nämlich auf die fundamentalen Prinzipien der
Regelungstechnik, die allen Anwendungen zugrundeliegen. Unsere Bemühungen
liegen vor allem darin, das abstrahierte Wissen so darzustellen, daß es
vom Leser möglichst effizient auf konkrete
Anwendungen umgesetzt werden kann. Zusätzlich enthält das Buch
zahlreiche industrielle
Fallbeispiele, die die konkrete Umsetzung illustrieren.
In erster Linie beschäftigt sich das Buch mit zeitkontinuierlicher
Regelungstechnik. Aber auch
digitale Regelungstechnik wird mit hinreichender Tiefe behandelt, um
Computerimplementierungen
vornehmen zu können. Das Endergebnis ist ein Buch, das einen größeren
Umfang als ursprünglich
geplant war, hat; es besitzt dafür aber den Vorteil der umfassenden
Themenwahl. Natürlich gibt es
auch Themen, die nicht behandelt werden. Wir sind aber zuversichtlich,
daß das Buch dem interessierten Leser ausreichend solide Grundlagen zum
weiteren Studium zusätzlicher Litteratur bietet.
Betreffend Stil und Inhalt haben wir folgende Ziele verfolgt:
- eine zugängliche Darstellung rigorosen Materials, das für
Anwendungen relevant ist;
- frühzeitige Hinweise auf Design, d.h., Verständnis für
Begrenzungen und Zielkonflikte wecken;
- zahlreiche industrielle Fallbeispiele;
- zusätzliche Anschaulichkeit und Motivation durch simulations- und
webbasierte Unterstützung.
Unsere Darstellung betont auch den wichtigen Unterschied zwischen
Analyse, Synthese und Design.
Analyse beschäftigt sich damit, Eigenschaften wie Stabilität oder Störempfindlichkeit
eines gegebenen Regelkreises zu erheben. Im Gegensatz dazu ist Synthese
von folgender Fragestellung motiviert: Ausgehend von einem Prozeß und
gewünschten Eigenschaften des zu erstellenden Regelkreises, wird
derjenige Regler gesucht (falls überhaupt existent), der diese
Eigenschaften erreicht. Design beschäftigt sich mit dem Umgang mit
Zielkonflikten: welche der idealerweise
erwünschten Eigenschaften stehen in Konflikt zueinander; wie kann man
die Methoden der
Synthese zum Erreichen von guten Kompromissen nutzen; und wie kann man
die Güte der
Kompromisse durch Analyse verifizieren. Als Ausgangsbasis wählen wir
dabei die
fundamentalen Zielkonflikte, die von jeder Anwendung und Lösung
honoriert werden müssen, und leiten daraus Analyse- und
Synthesemethoden ab.
Dabei verfolgen wir aber keine komplette Präsentation der
mathematischen Systemtheorie,
sondern konzentrieren uns auf diejenigen Schwerpunkte, die dem Leser möglichst
rasch
zur Lösung angewandter Fragen verhelfen. In diesem Sinn gehen wir auch
davon aus, daß der
Leser Zugang zu modernen Softwarepaketen für numerische Berechnungen
und Simulation hat,
z.B. MATLAB-SIMULINK. Auf Grund dieser Annahme konzentriert sich unsere
Darstellung
auf die prinzipiellen Eigenschaften von Lösungsmethoden, anstatt auf
die Werkzeuge für deren Berechnung. Jedes Kapitel enthält gelöste
Beispiele, sowie Aufgaben für den Leser.
Das Buch ist in folgende 8 Teile gegliedert:
Teil I: The Elements
Diser Teil faßt elementare Konzepte für Systeme und Signale zusammen.
Er würde sich entweder für einen einführenden Kurs eignen, oder als
Wiederholung am Anfang eines weiterführenden Kurses.
Teil II: SISO Control Essentials
Dieser Teil enthält die Grundlagen von Single-Input-Single-Output
Regelung, einschließlich klassischer PID Regelung. Zusammen beinhalten
Teil I und II die Themen typischer Einführungskurse.
Teil III: SISO Control Design
Dieser Teil behandelt Design, also das Erkennen und den Umgang mit
Begrenzungen und Zielkonflikten. Dieses gehört unserer Meinung nach zum
Kernmaterial und sollte Studenten möglichst früh nahe gebracht werden.
Das Thema von Begrenzungen in der Aktorik, aber auch Feedforward und
Kaskaden, sind besonders wichtig für Anwendungen.
Teil IV: Digital Computer Control
Dieser Teil beschäftigt sich mit digitaler Regelung. Zusätzlich zum
klassischen Material behandelt er auch das für Anwendungen wichtige
Verhalten zwischen den digitalen Messungen (intersample Verhalten).
Teil V: Advanced SISO Control
Dieses Material könnte die Basis eines weiterführenden Kurses bilden.
Er behandelt Methoden, die sich auch für die Verallgemeinerung auf
Systeme mit mehreren Größen (MIMO) eignen.
Teil VI: MIMO Control Essentials
Dieser Teil behandelt die Grundlagen für MIMO Systeme. Er eignet sich
als Einführung in einen ersten Kurs für multivariable Systeme.
Teil VII: MIMO Control Design
Dieser Teil enthält Ansätze und Techniken für industrielle MIMO
Regelungen. Er behandelt LQ Methoden zum regeln und filtern, sowie Model
Predictive Control (MPC).
Teil VIII: Advanced MIMO Control
Der letzte Teil des Buches kann entweder für Einzelstudium und
Forschung genutzt werden, oder den Abschluß eines weiterführenden MIMO
Kurses (bestehend aus Teilen V oder VI bis VIII) bilden.
Zwei der Autoren (Goodwin und Salgado) haben Kurse von
Manuskriptversionen des Buches in Australien und Südamerika gelehrt.
Das Buch enthält zahlreiche Fallbeispiele. Sie stammen aus
industriellen Projekten, die von den Autoren in Zusammenarbeit mit den
beauftragenden Industrien am Centre for Integrated Dynamics and Control
(CIDAC) an der University of Newcastle, Australien, durchgeführt
wurden:
- Antennenrichten für Satelliten
- pH-Wert Regelung
- Stranggießen in der Stahlindustrie
- Regelung von Zuckerrohrmühlen
- Destillation
- Ammoniak Synthese Prozess
- Zinkbeschichtung
- Diverse Regelungen in Walzwerken
- Vibrationsregelung.
Die meisten dieser Applikationen sind auch auf der Webseite des
Buches als Java Applets implementiert. Wir ermutigen Leser, in diesem
sehr anschaulichem virtuellen Labor zu experimentieren. Neben der
intuitiven Visualisierung und Animation, bietet die Webseite auch den
Vorteil, alle Applikationen im Zusammenhang sehen zu können.
Zusätzlich zu den industriellen Fallbeispielen, enthalten sowohl
Buch als auch Webseite einige Laborapplikationen, wie zum Beispiel das
berühmte invertierte Pendel, gekoppelte Tanks und der auf einer Platte
balancierte Ball.
oder unter einem Link auf den Homepages der Autoren.
Newcastle, Australien
Valparaiso, Chile
Wien, Österreich
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