Einstieg in die Regelungstechnik mit Python

Fachbuch von Hans-Werner Philippsen

Software

Das Erlernen regelungstechnischer Grundlagen und auch die Einarbeitung in die Praxis werden durch den Einsatz von Berechnungs- und Simulationswerkzeugen sehr erleichtert. Für die Berechnung und den Entwurf von Regelkreisen eignet sich die freie Programmiersprache Python mit den kostenlosen Paketen NumPy, SciPy und Control. Die Entwicklungsumgebung Spyder, die Bestandteil der Anaconda-Distribution ist, kann für die Programmierung aber auch für die direkte Ausführung von Berechnungen (z.B. Nullstellensuche, Frequenzgänge,…) auf einer Konsole verwendet werden. Die Installation dieser Pakete wird im Buch beschrieben.

Im Buch werden viele Beispiele mit dem Programmsystem WinFACT simuliert, wobei speziell das blockorientierte Simulationssystem BORIS zum Einsatz kommt. Eine Studentenversion kann für 25 € erworben werden (http://www.kahlert.com).

Regler sind in der Praxis meist software-technische Bestandteile von größeren Automatisierungssystemen, z.B. in Form eines SPS-Programms. SPS-Beispielprogramme habe ich mit dem Programmiersystem CODESYS erstellt. CODESYS kann kostenlos unter https://de.codesys.com/ heruntergeladen werden. Die Programme können im Simulationsmodus ausgeführt werden, sind jedoch teilweise für eine Ausführung auf dem Einplatinen-Computer Raspberry Pi entwickelt worden. Die Laufzeitumgebung für die Ausführung von CODESYS-Programmen auf dem Raspberry Pi arbeitet zwei Stunden und muss dann neu gestartet werden. Unter http://store.codesys.com kann das Laufzeitsystem kostenlos herunter geladen werden.
BORIS- und CODESYS-Programme können über eine OPC-Schnittstelle online Daten austauschen. Die OPC-Toolbox von WinFACT ist jedoch Voraussetzung für diese nützliche Kopplung.
Um einen Zugriff auf AD- und DA-Wandler zu erhalten, muss der Raspberry Pi noch erweitert werden. Für die Beispielprogramme wurde dazu das Erweiterungsboard PiXtend verwendet, wobei der CODESYS-Geräte-Treiber ebenfalls als Download auf den CODESYS Seiten zu finden ist. CODESYS stellt dokumentierte Beispielapplikationen bereit, die z.B. die kostengünstige Anbindung von AD-Wandlern über den SPI-Bus behandeln.

Weiterhin wurde ein Beispielprogramm für die Nutzung des Servo-Controller MC5005 von Faulhaber entwickelt. Der Zugriff erfolgt mittels ETHERCAT vom PC aus, wobei im Servo ein Drehzahlregler konfiguriert ist. Das CODESYS-Programm enthält einen Lageregler inklusive Vorsteuerung.

Zur Simulation elektronischer Schaltungen und Regelungen ist weiterhin die Software LTspice geeignet. Schaltungen mit Operationsverstärkern sind ebenso simulierbar, wie auch Laplace-Übertragungsfunktionen und Integratoren.  Die LTspice-Simulation eines Tiefsetzstellers mit Zweipunktregler finden Sie als Beispiel.

BORIS-, LTspice und CODESYS-Programme werden in unregelmäßigen Abständen als zip-files unter “Material“ abgelegt.

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