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Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik



"Hardware-in-the-loop"- Simulation Pneumatischer Stellantriebe (SIPS)

Pneumatischer Stellantrieb

Pneumatische Stellantriebe werden in der Verfahrenstechnik in großem Umfang zur Betätigung von Ventilen eingesetzt. Der Aufbau eines Stellantriebes mit angebautem Ventil ist in der Abbildung dargestellt. Das Ventil ist über die sogenannte Ventilspindel mit dem pneumatischen Membranantrieb verbunden. Zum Öffnen des Ventils wird über einen Stutzen Druckluft in den Antrieb geleitet. In der grau dargestellten Kammer baut sich ein Druck auf, der die Membrane und mit Ihr die Ventilspindel und den Ventilkegel gegen die Federkraft nach oben bewegt. Durch Entlüften des Antriebes wird das Ventil durch die Federkraft wieder geschlossen.

Um vorgegebene Positionen des Ventilkegels einregeln zu können, wird am Stellantrieb ein Stellungsregler angebracht, der die Position der Ventilspindel mit einem Hebel erfaßt, diese mit dem Sollwert vergleicht und daraus den erforderlichen Druck im Membranantrieb einstellt.

Das Regelverhalten des Stellungsreglers wird maßgeblich durch die Reibung der Stopfbuchse, die das Ventil gegen den Antrieb abdichtet, beeinflußt. Diese Reibung ändert sich im Laufe der Zeit durch Verschleiß, Temperatur- und Druckeinflüsse usw.

Wegen der sich ändernden Reibung sind vergleichende Untersuchungen des Regelverhaltens verschiedener Stellungsregler deutlich erschwert. Insbesondere wenn die Untersuchungen in einem großen zeitlichen Abstand erfolgen, ist die Vergleichbarkeit der Messungen nicht gewährleistet.

Aufgrund dieser Problematik wurde von Seiten der chemischen Industrie angeregt, einen "Normantrieb" zu entwickeln, dessen Reibung beliebig reproduzierbar ist.

Am Lehrstuhl für Regelungstechnik und Signaltheorie wurde von dieser Aufgabenstellung ausgehend eine "Hardware-in-the-loop"-Simulation entwickelt, bei der der Stellungsregler weiterhin pneumatisch mit einem Stellantrieb verbunden ist; die Prozeßschnittstelle des Reglers zum Antrieb wird also nicht verändert. Allerdings ist die Stopfbuchse des Antriebes abgekoppelt und wird stattdessen dem Digitalrechner simuliert. Hierzu werden der Druck und die Position des Stellantriebes gemessen und daraus die Antriebskraft ermittelt. Die Reibungskraft der Stopfbuchse wird mit Hilfe eines Reibmodelles berechnet und ist somit parametrierbar und reproduzierbar. Aus diesen beiden Kräften kann die Antriebskraft und damit die Position des zu simulierenden reibungsbehafteten Antriebs berechnet werden. Der Rechner gibt diese simulierte Position mit Hilfe eines elektrischen Positioniersystems an den Positionserfassungshebel des Reglers weiter.

Struktur von SIPS

Das in der Abbildung gezeigte System kann anstelle eines realen Stellantriebs zur vergleichenden Prüfung von Stellungsreglern verwendet werden. Desweiteren ist es möglich, das Regelverhalten bei verschiedenen Reibverhältnissen zu untersuchen und mit Hilfe des Simulationssystems optimale Reglerparameter zu ermitteln.

Das Simulationssystem wurde auf der Hannover Messe Industrie 1998 ausgestellt.