Kahlert Einführung in WinFACT

1. Auflage 2009
ISBN: 978-3-446-42099-1
Verlag: Hanser, Carl
Format: PDF
Kopierschutz: Adobe DRM (»Systemvoraussetzungen)

E-Book, Deutsch, 330 Seiten

Dieses Buch bietet eine beispielorientierte Einführung in das leistungsstarke Programmpaket WinFACT, das Werkzeuge zur Analyse und Simulation von Regelungssystemen zur Verfügung stellt. Leser erhalten einen schnellen Überblick über die Leistungsmerkmale der einzelnen WinFACT-Softwarekomponenten, werden anhand einer Vielzahl von ausführlichen Beispielen sowie Übungsaufgaben mit der Bedienung vertraut gemacht und finden darüber hinaus eine Menge nützlicher Tipps und Tricks. Schwerpunkt des Buches ist die Vorstellung des blockorientierten Simulationsprogramms BORIS und seiner Add-Ons. Auf CD liegt eine aktuelle Light-Version von WinFACT bei, welche die Bearbeitung sämtlicher Beispiele und darauf aufbauende Untersuchungen gestattet. Das Buch wendet sich an Studierende aller Ingenieurausbildungsrichtungen, Auszubildende an Berufs- und Fachschulen für Technik sowie Ingenieure und Techniker in der Industrie.

Autoren/Hrsg.

Kahlert, Jörg

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort;6
2;Inhaltsverzeichnis;8
3;Einleitung;14
4;1 Der erste Schritt – Installation von WinFACT;18
4.1;1.1 Ablauf des Installationsvorgangs;18
4.2;1.2 Verfügbare Programmversionen und Lizenzformen;20
4.3;1.3 Einschränkungen der Begleit-Software zum Buch;21
4.4;1.4 Installation weiterer Komponenten;21
5;2 Aller Anfang ist schwer – ein erster Streifzugdurch WinFACT;23
5.1;2.1 Was ist WinFACT?;23
5.2;2.2 WinFACT-Programmkomponenten;25
5.3;2.3 WinFACT-Dateioperationen;28
5.4;2.4 WinFACT-Dateitypen;31
5.5;2.5 Arbeiten mit Blocklisten;32
5.6;2.6 Arbeiten mit Übertragungsfunktionen;35
6;3 Blockorientierte Simulation mit BORIS;37
6.1;3.1 Übersicht;37
6.1.1;3.1.1 Anwendungsbereiche von BORIS;37
6.1.2;3.1.2 Komponenten des BORIS-Hauptfensters;38
6.1.3;3.1.3 Laden und Speichern von Dateien;40
6.2;3.2 Einführendes Beispiel: Simulation einer Kfz-Dynamik;41
6.2.1;3.2.1 Blockschaltbild des Kfz-Modells;41
6.2.2;3.2.2 Umsetzung in BORIS;43
6.2.3;3.2.3 Einfügen und Anordnen der Systemblöcke;43
6.2.4;3.2.4 Parametrieren der Blöcke;48
6.2.5;3.2.5 Ziehen der Verbindungen;54
6.2.6;3.2.6 Simulation;60
6.2.7;3.2.7 Kommentierung der Simulationsstruktur;63
6.3;3.3 Arbeiten mit Systemblöcken;67
6.3.1;3.3.1 Erscheinungsbild von Blöcken;68
6.3.2;3.3.2 Einfügen neuer Blöcke;69
6.3.3;3.3.3 Selektieren von Blöcken;70
6.3.4;3.3.4 Verschieben von Blöcken;70
6.3.5;3.3.5 Löschen von Blöcken;71
6.3.6;3.3.6 Drehen von Blöcken;71
6.3.7;3.3.7 Kopieren und Einfügen von Blöcken;72
6.3.8;3.3.8 Parametrierung von Blöcken;72
6.3.9;3.3.9 Passive Blöcke;74
6.3.10;3.3.10 Ändern der Blockgröße;75
6.4;3.4 Verbindungen;76
6.4.1;3.4.1 Automatische und manuelle Verbindungen;77
6.4.2;3.4.2 Ziehen automatischer Verbindungen;78
6.4.3;3.4.3 Ziehen und Bearbeiten manueller Verbindungen;80
6.4.4;3.4.4 Umwandeln von Verbindungen;82
6.4.5;3.4.5 Löschen von Verbindungen;83
6.4.6;3.4.6 Farben von Verbindungen;83
6.4.7;3.4.7 Anzeige der Blockverbindungen;84
6.5;3.5 Arbeiten mit Signalquellen und -senken;84
6.6;3.6 Alles unter Kontrolle – Steuerung der Simulation;87
6.6.1;3.6.1 Grundlegende Simulationsparameter;87
6.6.2;3.6.2 Starten und Stoppen der Simulation;88
6.6.3;3.6.3 Einzelschrittmodus und Breakpoints;89
6.6.4;3.6.4 Hinweise zur Wahl von Schrittweite und Integrationsverfahren;90
6.6.5;3.6.5 Arbeiten im Echtzeitbetrieb;92
6.6.6;3.6.6 Kontrollausgaben während der Simulation;93
6.6.7;3.6.7 Überwachung von Blöcken;95
6.6.8;3.6.8 Parameteränderungen während der Simulation;96
6.6.9;3.6.9 Was tun bei algebraischen Schleifen?;96
6.7;3.7 Arbeiten mit Exportparametern;98
6.7.1;3.7.1 Bedeutung von Exportparametern;98
6.7.2;3.7.2 Simulationsgesteuerte Variation von Exportparametern;100
6.8;3.8 Arbeiten mit Superblöcken;103
6.8.1;3.8.1 Wozu dienen Superblöcke?;103
6.8.2;3.8.2 Erstellung von Superblöcken;103
6.8.3;3.8.3 Ein- und Ausgänge von Superblöcken;106
6.8.4;3.8.4 Superblöcke und Labels;107
6.8.5;3.8.5 Signalquellen und -senken in Superblöcken;109
6.8.6;3.8.6 Exportieren von Parametern;110
6.8.7;3.8.7 Benutzerdefinierte Block-Bitmaps;111
6.9;3.9 Automatisierte Durchführung von Simulationsreihen (Batch-Betrieb);112
6.10;3.10 Direkte Ermittlung von Frequenzgängen;118
6.11;3.11 Die BORIS-Systemblock-Bibliothek;120
6.11.1;3.11.1 Blöcke zur Signalgenerierung;121
6.11.2;3.11.2 Blöcke zur Visualisierung und Weiterverarbeitung von Simulationsergebnissen;126
6.11.3;3.11.3 Blockgruppe Quellen;137
6.11.4;3.11.4 Blockgruppe Dynamik;138
6.11.5;3.11.5 Blockgruppe Statik;140
6.11.6;3.11.6 Blockgruppe Regler;141
6.11.7;3.11.7 Blockgruppe Stellglieder;143
6.11.8;3.11.8 Blockgruppe Funktion;143
6.11.9;3.11.9 Blockgruppe Digital;144
6.11.10;3.11.10 Blockgruppe Aktion;147
6.11.11;3.11.11 Blockgruppe Kommunikation;147
6.11.12;3.11.12 Blockgruppe Simulation;148
6.11.13;3.11.13 Blockgruppe Senken;149
6.11.14;3.11.14 Blockgruppe Sonstige;152
6.11.15;3.11.15 Blockgruppe VirtInstr;154
6.12;3.12 Do it yourself – So erweitern Sie die Systemblock-Bibliothek um eigene Blöcke;155
6.13;3.13 Entwurf von PID-Reglern;161
6.13.1;3.13.1 Entwurfsverfahren;161
6.13.2;3.13.2 PID-Entwurf nach Einstellregeln;161
6.14;3.14 Numerische Optimierung von Systemparametern;170
6.15;3.15 Gesucht – gefunden: Navigieren in Systemstrukturen;174
6.15.1;3.15.1 Struktur-Übersicht;174
6.15.2;3.15.2 Suchen nach Systemblöcken;176
6.15.3;3.15.3 Suchen nach Textblöcken;178
6.16;3.16 Der letzte Schliff – Arbeiten mit Textblöcken, Gruppenrahmen und Bitmap-Grafiken;179
6.16.1;3.16.1 Textblöcke;180
6.16.2;3.16.2 Gruppenrahmen;182
6.16.3;3.16.3 Bitmap-Grafiken;184
6.17;3.17 Für alles offen – Kommunikation und Datenaustausch mit anderen Programmen;186
6.18;3.18 Arbeiten mit Hardware-Treibern;187
6.19;3.19 Was Sie sonst noch wissen sollten;192
6.19.1;3.19.1 Verwaltung von Alarmen und Meldungen;192
6.19.2;3.19.2 Zugriffsschutz;193
6.19.3;3.19.3 Revisions-Kontrollsystem;194
6.19.4;3.19.4 Benutzerdefinierte Einstellungen;194
6.20;3.20 Ausgewählte Simulationsbeispiele;197
6.20.1;3.20.1 Nichtlineares Fadenpendel;197
6.20.2;3.20.2 Mechanischer Schwinger;199
6.20.3;3.20.3 Verladekran;200
6.20.4;3.20.4 Gekoppelte Dynamos;204
6.20.5;3.20.5 Drei-Körper-Problem;206
6.20.6;3.20.6 Fadenpendel mit Anschlag;208
6.20.7;3.20.7 Springender Ball;211
6.20.8;3.20.8 Beschleunigungsvorgang bei Pkw;213
6.20.9;3.20.9 Drehzahlregelung eines Gleichstromantriebs;219
6.20.10;3.20.10 Stabilisierung eines inversen Doppelpendels;223
6.20.11;3.20.11 Digitale Regelung;227
6.20.12;3.20.12 Feder-Masse-System mit Anschlägen;229
6.20.13;3.20.13 Lithium-Cluster-Dynamik;232
6.20.14;3.20.14 Miniwelt: Bevölkerung, Konsum, Umweltbelastung;236
6.20.15;3.20.15 Weitere regelungstechnische Simulationsbeispiele;239
6.21;3.21 Lust auf mehr? BORIS-Add-Ons;241
6.21.1;3.21.1 Flexible Animation Builder;241
6.21.2;3.21.2 State Machine Workbench;246
6.21.3;3.21.3 PID Design Center;252
6.21.4;3.21.4 System Identification Center;253
6.21.5;3.21.5 AutoCode-Generator;253
6.21.6;3.21.6 Soft-SPS;257
6.21.7;3.21.7 OPC Client/Server Toolbox;258
6.21.8;3.21.8 ODBC-Toolbox;259
6.21.9;3.21.9 VBScript-Modul;259
6.21.10;3.21.10 Datenlogger;260
6.21.11;3.21.11 FTP-Toolbox;261
6.21.12;3.21.12 Universelles RS-232-Modul;261
6.21.13;3.21.13 Sollwert-/Kennliniengenerator;261
7;4 Systemidentifikation mit IDA;262
7.1;4.1 Prinzip der experimentellen Systemidentifikation;262
7.2;4.2 Anwendungsbeispiel;262
7.3;4.3 Weitere Leistungsmerkmale von IDA;269
8;5 Analyse linearer Systeme mit LISA;272
8.1;5.1 Leistungsumfang;272
8.2;5.2 Anwendungsbeispiel;272
8.3;5.3 Weitere Leistungsmerkmale;276
9;6 Reglerentwurf im Frequenzbereich mit RESY;280
9.1;6.1 Leistungsumfang;280
9.2;6.2 Anwendungsbeispiel;282
10;7 Aufbereitung von Daten mit INGO;287
10.1;7.1 Übersicht;287
10.2;7.2 Leistungsmerkmale;288
11;8 Simulation und Synthese von Zustandsregelkreisen mit SUSY;293
11.1;8.1 Leistungsumfang;293
11.2;8.2 Anwendungsbeispiel;294
12;9 Entwurf und Simulation von Fuzzy-Systemen;298
12.1;9.1 Leistungsmerkmale der Fuzzy-Shell FLOP;298
12.2;9.2 Linguistische Variablen und Terme;299
12.2.1;9.2.1 Einfügen neuer Variablen;299
12.2.2;9.2.2 Bearbeiten von Variablen;301
12.3;9.3 Erstellen der Regelbasis;303
12.3.1;9.3.1 Regelbasis-Fenster;303
12.3.2;9.3.2 Regelbasis-Editor im Tabellen-Modus;304
12.3.3;9.3.3 Regelbasis-Editor im Matrix-Modus;306
12.4;9.4 Operatoren, Inferenzmechanismus und Defuzzifizierung;307
12.4.1;9.4.1 Operatoren für UND- und ODER-Verknüpfung;307
12.4.2;9.4.2 Inferenzmechanismus und Defuzzifizierung;307
12.5;9.5 Systemanalyse im Debug-Modus;308
12.5.1;9.5.1 Aktivierung des interaktiven Debug-Modus;308
12.5.2;9.5.2 Variablenfenster im Debug-Modus;309
12.5.3;9.5.3 Regelbasis-Editor im Debug-Modus;310
12.5.4;9.5.4 Kennlinien- und Kennfelddarstellung;311
12.5.5;9.5.5 Trace-Modus;313
12.6;9.6 Analyse des Systems durch Simulation;314
12.6.1;9.6.1 Nutzung des internen Simulators;314
12.6.2;9.6.2 Simulation mit BORIS;314
12.7;9.7 Kommunikation mit anderen Anwendungen über DDE;315
12.7.1;9.7.1 Betrieb als DDE-Server;316
12.7.2;9.7.2 Betrieb als DDE-Client;316
12.8;9.8 Generierung von C-Code;317
13;10 Die Trainingsprogramme SIM-Trainer und BODE-Trainer;319
13.1;10.1 SIM-Trainer;319
13.2;10.2 BODE-Trainer;320
14;Formelverzeichnis;322
15;Literaturverzeichnis;324
16;Index;325
17;Die Internetseite zum Buch;329

Leseproben

3 Blockorientierte Simulation mit BORIS (S. 36-37)

3.1 Übersicht

3.1.1 Anwendungsbereiche von BORIS

Das blockorientierte Simulationssystem BORIS ist zweifelsohne das Kernmodul von Win-FACT – viele Anwender arbeiten sogar ausschließlich mit BORIS. Mit Hilfe von BORIS erstellen Sie Simulationsstrukturen nach dem Baukastenprinzip: Zunächst suchen Sie sich aus der Systemblock-Bibliothek die für Ihr Problem passenden Blocktypen zusammen, parametrieren diese dann in geeigneter Weise und verbinden sie schließlich über entsprechende Signalleitungen miteinander. Alles andere übernimmt BORIS für Sie – Sie müssen also weder ein numerisches Integrationsverfahren zur Lösung der Simulationsgleichungen programmieren, noch sich um die Realisierung der Simulationsschleife oder gar die Ermittlung der korrekten Abarbeitungsreihenfolge der einzelnen Systemblöcke kümmern.

Auch wenn ein Großteil der WinFACT-Anwender BORIS speziell zur Simulation regelungstechnischer Systeme – also Regelstrecken und Regelkreise – nutzt, lassen sich mit BORIS prinzipiell beliebige dynamische Systeme simulieren, da die zugrunde liegenden mathematischen Modelle (z. B. Funktions- und Differentialgleichungen) immer dieselben sind. Digitalschaltungen aus Logikgattern, Flip-Flops oder auch Zählern lassen sich daher genau so verarbeiten wie analoge und digitale Filter oder Populationsdynamiken aus der Biologie (Bevölkerungswachstum, Räuber-Beute-Systeme etc.). Selbstverständlich können Sie BORIS durchaus auch zur Simulation von elektrischen Netzwerken benutzen – auch wenn es dafür sicherlich besser geeignete Programme wie z. B. PSPICE gibt [HEINEMANN09].

Die Bezeichnung Simulationssystem ist aber nur die halbe Wahrheit: BORIS kann durchaus mehr als „nur“ zu simulieren, wir werden im Rahmen dieses Kapitels detailliert darauf eingehen. Hier daher zunächst nur einige weitergehende Anwendungsbereiche von BORIS in Stichpunkten:

• Messwerterfassung und Signalanalyse
• Regelkreisanalyse und -synthese im Zeit- und Frequenzbereich
• Identifikation von Regelstrecken
• Systemoptimierung
• automatische Codegenerierung für nahezu beliebige Zielsysteme
• Prozessführung und -visualisierung
• Konfigurierung und Parametrierung von Hardwarebaugruppen.

Neben den bekannten konventionellen Systemen können dabei insbesondere auch Systeme mit Fuzzy- und/oder Neuro-Komponenten verarbeitet werden.

Über Autor(innen)

Dr.-Ing. Jörg Kahlert leitet seit 1991 ein Ingenieurbüro für Software-Engineering und Automatisierungstechnik. Er lehrt die Fächer "Steuer- und Regelungstechnik" und "Automatisierungstechnik" an der SRH Fachhochschule in Hamm.