Mechatronische Systeme: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 12 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Gleichstrommotoren

Ankerkreis
V = E + IaRa
Gegen-EMK und Drehmoment
E = k·ω, T = k·Ia
Geschwindigkeit
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Leerlaufdrehzahl und Blockiermoment
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Leistungen
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Anlauf
Istart = V/(Ra + Rst)
Drehzahländerung
SR = (n0 − nFL)/nFL
Maximale entwickelte Leistung
Pmax = V²/(4Ra)
Gleichstromstellerantrieb
Va = D·Vdc

Methode

  1. Zeichne den Ankerkreis: Versorgung V, Widerstand Ra und Gegen-EMK E in Reihe.
  2. Verwende V = E + Ia·Ra, um Spannung, Strom und Gegen-EMK zu verknüpfen.
  3. Verwende E = k·ω für die Drehzahl und T = k·Ia für das Drehmoment, mit ω = 2π·n/60.
  4. Gehe für Leistung und Wirkungsgrad von V·Ia aus, ziehe die Kupferverluste Ia²·Ra ab und dann die Rotationsverluste.

Zahnräder & Zahnradgetriebe

Kämmende Zahnräder
n1·N1 = n2·N2
Drehmoment
T2 = T1·(N2/N1)·η
Leistung
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Mehrstufiges Getriebe
Gesamtübersetzung = Produkt der Stufenübersetzungen

Messdatenerfassung und Abtastung

Nyquist-Kriterium
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Alias-Frequenz
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Schrittweite
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Quantisierungsfehler (Runden)
±½ LSB
ADC-Code bei Abschneiden
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bits für eine Auflösung r
2ᴺ ≥ span/r
Ideales SQNR, Sinus mit Vollaussteuerung
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Datenrate
Kanäle × fs × N bit/s
Gemultiplexter ADC
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/Baudrate; 8N1 = 10 Bit pro Byte; Byte/s = Baudrate/Bits pro Frame
Baudraten-Teiler
baud = fclk/(16·D)

Methode

  1. Schreibe auf, was gegeben ist: Abtastrate, Signalfrequenzen, Bitanzahl, Eingangsbereich, Baudrate.
  2. Vergleiche bei Abtastaufgaben jede Frequenz mit fs/2; eine höhere Frequenz erscheint bei fa = |f − k·fs| mit dem nächstgelegenen Vielfachen von fs.
  3. Bestimme bei Auflösungsaufgaben 1 LSB = VFSR/2ᴺ oder das kleinste N mit 2ᴺ ≥ Spanne/Auflösung.
  4. Zähle bei Datenraten und UART-Verbindungen alles, was gesendet wird: Kanäle, Abtastwerte pro Sekunde, Bits oder ganze Bytes pro Abtastwert sowie Start-, Paritäts- und Stoppbits jedes Frames.

Wheatstone-Brücke und Dehnungsmessstreifen

Teilerspannungen
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Ausfuhr
Vab = Va − Vb
Bilanz
R1/R2 = R3/R4
Schleifdrahtbrücke
R/Rx = l/(100 − l)
Thévenin-Widerstand
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
k-Faktor
ΔR/R = GF·ε
Brückenausgangsspannung
Viertelbrücke Vs·GF·ε/4, Halbbrücke Vs·GF·ε/2, Vollbrücke Vs·GF·ε
Kleine Änderung, ein Zweig
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Spannung
σ = E·ε

Methode

  1. Behandle die Brücke als zwei Spannungsteiler an derselben Versorgung.
  2. Setze für den Abgleich R₁/R₂ = R₃/R₄ und löse nach dem unbekannten Widerstand auf.
  3. Bestimme bei einer nicht abgeglichenen Brücke Va und Vb aus den Teilern und bilde die Differenz; verwende die Thevenin-Ersatzschaltung, wenn ein Messgerät den Ausgang belastet.
  4. Rechne bei Dehnungsmessstreifen die Dehnung in ΔR/R = GF·ε um und verwende Vs·GF·ε/4, /2 oder ×1 für eine Viertel-, Halb- oder Vollbrücke.

Stationärer Fehler und PID-Regelung

Systemtyp
Anzahl der Pole von G(s) bei s = 0
Fehlerkonstanten
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Sprung A
ess = A/(1 + Kp)
Rampe A·t
ess = A/Kv
Parabel A·t²/2
ess = A/Ka
PID-Regler
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Zielsystem zweiter Ordnung
s² + 2ζωns + ωn²
Überschwingen und Zeitverhalten
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Methode

  1. Zähle die Pole des offenen Kreises C(s)·G(s) bei s = 0: Das ist der Systemtyp.
  2. Berechne die Fehlerkonstante, die zur Eingangsgröße passt: Kp für einen Sprung, Kv für eine Rampe, Ka für eine Parabel.
  3. Wende ess = A/(1 + Kp), A/Kv oder A/Ka an, oder löse die Gleichung nach der benötigten Verstärkung auf.
  4. Schreibe bei einer Vorgabe zu Dämpfung oder Drehzahl das charakteristische Polynom des geschlossenen Kreises auf und vergleiche es mit s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Übungsaufgaben

1.GleichstrommotorenMittel
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

Ein Gleichstrommotor mit k = 0,3 N·m/A und Ra = 0,5 Ω ist an 48 V angeschlossen. Bestimme sein Blockiermoment Tstall, das Drehmoment bei Drehzahl null.

V = 48 Vk = 0,3 N·m/ARa = 0,5 Ω
Tstall = N·m
2.GleichstrommotorenSchwer
+−110 VRs​ = ?Ra​ = 0,8 ΩM+−En = 600 rpmT = 8 N·m

Ein Gleichstrommotor (k = 1 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) treibt an einer festen Versorgung von 110 V eine Last von 8 N·m an. Bestimme den Vorwiderstand Rs, der ihn auf 600 rpm verlangsamt.

V = 110 Vk = 1 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 8 N·mn = 600 rpm
Rs = Ω
3.Zahnräder & ZahnradgetriebeMittel
N1​ = 18, m = 5 mm

Ein Motor mit 11 kW und 2900 rpm treibt ein Ritzel mit 18 Zähnen und dem Modul 5 mm an. Bestimme die Umfangskraft Ft an den Zähnen des Ritzels.

P = 11 kWn = 2900 rpmN1 = 18m = 5 mm
Ft = N
4.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
d1​ = 100 mmd2​ = 315 mm2880 rpmC = 800 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

Ein offener Riemen verbindet eine treibende Scheibe mit 100 mm bei 2880 rpm mit einer Scheibe mit 315 mm; die Mittelpunkte sind 800 mm voneinander entfernt. Der Reibungskoeffizient beträgt 0,25, und die Zugkraft im Lasttrum darf 500 N nicht überschreiten. Bestimme die größte Leistung P, die der Riemen ohne Durchrutschen übertragen kann, in kW (Fliehkrafteffekte vernachlässigen).

d1 = 100 mmn1 = 2880 rpmd2 = 315 mmC = 800 mmμ = 0,25T1 = 500 N
P = kW
5.Messdatenerfassung und AbtastungMittel
Vin​N = 12VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Bestimme das ideale Signal-Quantisierungsrausch-Verhältnis SQNR eines 12-Bit-ADC für eine vollausgesteuerte Sinuswelle.

N = 12
SQNR = dB
6.Messdatenerfassung und AbtastungSchwer
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Eine Audiomessung braucht ein ideales Signal-Quantisierungsrausch-Verhältnis von mindestens 96 dB für eine vollausgesteuerte Sinuswelle. Bestimme die kleinste Anzahl an ADC-Bits N.

SQNR ≥ 96 dB
N =
7.Wheatstone-Brücke und DehnungsmessstreifenMittel
+−5 V400 Ω400 Ω + ΔR400 Ω400 Ωab+−60,98 mV

Eine Brücke mit vier Zweigen von je 400 Ω wird mit 5 V versorgt. Wenn sich der Sensor R₂ ändert, zeigt der Ausgang Vab = 60,98 mV. Bestimme die exakte Änderung ΔR von R₂.

Vs = 5 VR = 400 ΩVab = 60,98 mV
ΔR = Ω
8.Wheatstone-Brücke und DehnungsmessstreifenSchwer
+−V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−

Ein Dehnungsmessstreifen mit 1000 Ω und dem k-Faktor 2,12 ist auf einen Stahlstab geklebt. Unter Last steigt sein Widerstand um 1,272 Ω. Bestimme die Dehnung ε in Mikrodehnung (µε).

R = 1000 ΩGF = 2,12ΔR = 1,272 Ω
ε = µε
9.Stationärer Fehler und PID-RegelungMittel
r(t) = 4·t²/2+20(s + 5)s²(s + 1)C(s)−

Auf einen Regelkreis mit Einheitsrückführung und G(s) = 20(s + 5)/(s²(s + 1)) wird die parabelförmige Eingangsgröße r(t) = 4·t²/2 gegeben. Bestimme den stationären Fehler ess.

G(s) = 20(s + 5)/(s²(s + 1))r(t) = 4·t²/2
ess =
10.Stationärer Fehler und PID-RegelungSchwer
R(s)+K = 110s(s + 5)C(s)−

Ein Proportionalregler K = 1 regelt die Strecke G(s) = 10/(s(s + 5)) in einem Regelkreis mit Einheitsrückführung. Bestimme die 2-%-Ausregelzeit ts der Sprungantwort mit ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 10/(s(s + 5))K = 1
ts = s
11.SprungantwortMittel
t (s)y(t)0,5?

Ein System hat die Übertragungsfunktion G(s) = 46,5/(s² + 12s + 93) und erhält einen Einheitssprung am Eingang. Bestimme das prozentuale Überschwingen %OS der Sprungantwort.

G(s) = 46,5/(s² + 12s + 93)
%OS = %
12.SprungantwortSchwer
R(s)+300s(s + 6)G(s)C(s)−

Ein Regelkreis mit Einheits-Gegenkopplung hat G(s) = 300/(s(s + 6)). Bestimme die 2-%-Ausregelzeit ts der Sprungantwort des geschlossenen Kreises mit ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 300/(s(s + 6))
ts = s

3Lösungen

1.Gleichstrommotoren

Antwort: Tstall = 28,8 N·m

Gleichstrommotor: Der Anker ist ein Widerstand Ra in Reihe mit der Gegen-EMK E, also V = E + Ia·Ra. Die Gegen-EMK wächst mit der Drehzahl, E = k·ω, und das Drehmoment mit dem Strom, T = k·Ia, mit derselben Motorkonstante k (V·s/rad = N·m/A) in SI-Einheiten. Rechne Drehzahlen mit ω = 2π·n/60 um. Die entwickelte Leistung ist E·Ia = T·ω; die aufgenommene Leistung ist V·Ia, und die Kupferverluste Ia²Ra sowie die Reibungsverluste bilden die Differenz. Die Drehzahl fällt linear mit dem Drehmoment, ω = V/k − Ra·T/k², von der Leerlaufdrehzahl V/k bis null beim Blockiermoment k·V/Ra. Im Stillstand ist E = 0, daher ist der Anlaufstrom V/Ra groß, sofern kein Widerstand ihn begrenzt.

Blockierstrom

Ia = V/Ra = 48/0,5 = 96 A

Blockiermoment

Tstall = 0,3·96 = 28,8 N·m

Antwort

Tstall = 28,8 N·m
2.Gleichstrommotoren

Antwort: Rs = 5,096 Ω

Gleichstrommotor: Der Anker ist ein Widerstand Ra in Reihe mit der Gegen-EMK E, also V = E + Ia·Ra. Die Gegen-EMK wächst mit der Drehzahl, E = k·ω, und das Drehmoment mit dem Strom, T = k·Ia, mit derselben Motorkonstante k (V·s/rad = N·m/A) in SI-Einheiten. Rechne Drehzahlen mit ω = 2π·n/60 um. Die entwickelte Leistung ist E·Ia = T·ω; die aufgenommene Leistung ist V·Ia, und die Kupferverluste Ia²Ra sowie die Reibungsverluste bilden die Differenz. Die Drehzahl fällt linear mit dem Drehmoment, ω = V/k − Ra·T/k², von der Leerlaufdrehzahl V/k bis null beim Blockiermoment k·V/Ra. Im Stillstand ist E = 0, daher ist der Anlaufstrom V/Ra groß, sofern kein Widerstand ihn begrenzt.

Strom und Gegen-EMK

Ia = 8/1 = 8 A
E = 1·62,83 = 62,83 V

Vorwiderstand

Ra + Rs = (110 − 62,83)/8 = 5,896 Ω
Rs = 5,096 Ω

Antwort

Rs = 5,096 Ω

Der Widerstand verheizt 326,1 W; ein Tiefsetzsteller regelt die Drehzahl mit weit geringeren Verlusten.

3.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: Ft = 804,9 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Drehmoment am Ritzel

ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T = P/ω = 11000/303,7 = 36,22 N·m

Teilkreisdurchmesser

d = m·N = 5·18 = 90 mm

Umfangskraft

Ft = 2T/d = 2·36,22/0,09 = 804,9 N

Antwort

Ft = 804,9 N
4.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: P = 3,862 kW

Riemenantriebe: Ohne Schlupf haben beide Scheiben dieselbe Umfangsgeschwindigkeit v = π·d·n/60, also n₁·d₁ = n₂·d₂, und das Übersetzungsverhältnis ist d₂/d₁. Schlupf s macht die getriebene Scheibe etwas langsamer: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Die übertragene Leistung ist P = (T₁ − T₂)·v, mit der Zugkraft T₁ im Lasttrum und T₂ im Leertrum. Die Reibung begrenzt das Verhältnis der Zugkräfte: T₁/T₂ = eμθ, wobei θ der Umschlingungswinkel im Bogenmaß an der kleineren Scheibe ist; für einen offenen Riemen gilt θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) mit dem Achsabstand C.

Umschlingungswinkel

θ = 2,872 rad

Zugkraft im Leertrum

eμθ = e0,718 = 2,05, T₂ = 500/2,05 = 243,9 N

Leistung

P = (500 − 243,9)·15,08 = 3,862 kW

Antwort

P = 3,862 kW
5.Messdatenerfassung und Abtastung

Antwort: SQNR = 74 dB

ADC-Auflösung: Ein N-Bit-Umsetzer teilt seinen Vollaussteuerbereich VFSR in 2ᴺ Codes, von 0 bis 2ᴺ − 1. Ein Schritt ist 1 LSB = VFSR/2ᴺ: die kleinste Änderung, die der Umsetzer anzeigen kann. Ein abschneidender ADC liefert den Code ⌊Vin/LSB⌋; ein rundender ADC liegt nie mehr als ½ LSB vom wahren Wert entfernt, das ist sein Quantisierungsfehler. Jedes zusätzliche Bit halbiert das LSB und erhöht das ideale Signal-Quantisierungsrausch-Verhältnis SQNR = 6,02·N + 1,76 dB für einen vollausgesteuerten Sinus um etwa 6 dB. Um eine Auflösung r über einer Spanne zu erreichen, wähle das kleinste N mit 2ᴺ ≥ Spanne/r.

Ideales SQNR

SQNR = 6,02·12 + 1,76 = 74 dB

Antwort

SQNR = 74 dB
6.Messdatenerfassung und Abtastung

Antwort: N = 16

ADC-Auflösung: Ein N-Bit-Umsetzer teilt seinen Vollaussteuerbereich VFSR in 2ᴺ Codes, von 0 bis 2ᴺ − 1. Ein Schritt ist 1 LSB = VFSR/2ᴺ: die kleinste Änderung, die der Umsetzer anzeigen kann. Ein abschneidender ADC liefert den Code ⌊Vin/LSB⌋; ein rundender ADC liegt nie mehr als ½ LSB vom wahren Wert entfernt, das ist sein Quantisierungsfehler. Jedes zusätzliche Bit halbiert das LSB und erhöht das ideale Signal-Quantisierungsrausch-Verhältnis SQNR = 6,02·N + 1,76 dB für einen vollausgesteuerten Sinus um etwa 6 dB. Um eine Auflösung r über einer Spanne zu erreichen, wähle das kleinste N mit 2ᴺ ≥ Spanne/r.

Nach N auflösen

N ≥ (96 − 1,76)/6,02 = 15,65

Aufrunden

N = 16
Probe: 6,02·16 + 1,76 = 98,08 dB ≥ 96 dB

Antwort

N = 16
7.Wheatstone-Brücke und Dehnungsmessstreifen

Antwort: ΔR = 20 Ω

Wheatstone-Brücke: Zwei Spannungsteiler teilen sich eine Versorgung Vs. Der linke Teiler R1–R2 liefert Va = Vs·R2/(R1 + R2) und der rechte Teiler R3–R4 liefert Vb = Vs·R4/(R3 + R4); die Ausgangsspannung ist Vab = Va − Vb. Die Brücke ist abgeglichen (Vab = 0, kein Strom im Messgerät), wenn R1/R2 = R3/R4 gilt, also R1·R4 = R2·R3. Vom Ausgang aus gesehen ist die Brücke eine Thevenin-Quelle mit Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Knotenspannung

Va = 2,5 + 0,06098 = 2,561 V

Teiler auflösen

R₂ = 400·2,561/(5 − 2,561) = 420 Ω
ΔR = 420 − 400 = 20 Ω

Antwort

ΔR = 20 Ω
8.Wheatstone-Brücke und Dehnungsmessstreifen

Antwort: ε = 600 µε

Dehnungsmessstreifen: Ein Streifen ändert seinen Widerstand mit der Dehnung: ΔR/R = GF·ε, wobei der k-Faktor GF bei Metallfolien etwa 2 beträgt. In einer Brücke mit lauter gleichen Zweigen R liefert ein aktiver Streifen (Viertelbrücke) Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Zwei aktive Streifen mit entgegengesetzter Dehnung in benachbarten Zweigen (Halbbrücke) liefern Vs·GF·ε/2, und vier (Vollbrücke) liefern Vs·GF·ε. Die Spannung folgt aus dem Hookeschen Gesetz, σ = E·ε. Kraftaufnehmer geben ihre Empfindlichkeit in mV/V an: die Ausgangsspannung bei Volllast je Volt Speisespannung.

Relative Widerstandsänderung

ΔR/R = 1,272/1000 = 0,001272

Dehnung

ε = 0,001272/2,12 = 0,0006 = 600 µε

Antwort

ε = 600 µε
9.Stationärer Fehler und PID-Regelung

Antwort: ess = 0,04

Stationärer Fehler: In einem Regelkreis mit Einheitsrückführung und der Übertragungsfunktion des offenen Kreises G(s) ist der Fehler E(s) = R(s)/(1 + G(s)), und nach dem Endwertsatz gilt ess = lims→0 s·E(s). Der Systemtyp ist die Anzahl der Pole von G(s) bei s = 0. Die Fehlerkonstanten sind Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) und Ka = lim s²·G(s), jeweils für s → 0. Ein Sprung der Höhe A liefert ess = A/(1 + Kp), eine Rampe A·t liefert A/Kv und eine Parabel A·t²/2 liefert A/Ka. Ein Kreis vom Typ 0 folgt einem Sprung mit endlichem Fehler, ein Kreis vom Typ 1 folgt ihm exakt und einer Rampe mit endlichem Fehler.

Beschleunigungskonstante

Ka = 20·5/1 = 100

Parabelfehler

ess = 4/100 = 0,04

Antwort

ess = 0,04
10.Stationärer Fehler und PID-Regelung

Antwort: ts = 1,6 s

P-, PI- und PID-Regelung: Der Regler C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s wirkt auf den Regelfehler. Eine proportionale Verstärkung macht den Kreis schneller und verkleinert den Fehler einer Strecke vom Typ 0, beseitigt ihn aber nie. Der Integralanteil fügt einen Pol bei s = 0 hinzu: Der Systemtyp steigt um eins, und ein Sprung wird ohne Fehler verfolgt. Der Differenzialanteil erhöht die Dämpfung. Um die Verstärkungen zu wählen, schreibe das charakteristische Polynom des geschlossenen Kreises auf und vergleiche es mit s² + 2ζωns + ωn². Dann gilt %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd mit ωd = ωn√(1 − ζ²) und ts ≈ 4/(ζωn).

Charakteristisches Polynom

s(s + 5) + 1·10 = s² + 5s + 10

ωₙ und ζ

ωₙ = √10 = 3,162 rad/s
ζ = 5/(2·3,162) = 0,7906

Ausregelzeit

ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s

Antwort

ts = 1,6 s

Die Ausregelzeit hängt hier nicht von K ab: Eine größere Verstärkung lässt die Antwort nur schneller schwingen.

11.Sprungantwort

Antwort: %OS = 8,236 %

Sprungantwort: Ein System erster Ordnung G(s) = K/(τs + 1) beantwortet einen Sprung der Größe U mit y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): Es erreicht nach einer Zeitkonstante τ 63,2 % des Endwerts K·U und nach 4τ 98 %. Ein System zweiter Ordnung G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) hat die Pole s = −ζωₙ ± jωd mit ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Für 0 < ζ < 1 schwingt die Sprungantwort über: prozentuales Überschwingen %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), Überschwingzeit (Scheitelzeit) tp = π/ωd und die 2-%-Ausregelzeit ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergleiche den Nenner mit s² + 2ζωₙs + ωₙ², um ωₙ und ζ abzulesen. Für ein Feder-Masse-Dämpfer-System gilt ωₙ = √(k/m) und ζ = c/(2√(km)); für einen Reihen-RLC-Kreis gilt ωₙ = 1/√(LC) und ζ = (R/2)·√(C/L).

Mit der Normalform vergleichen

Der Nenner muss mit s² + 2ζωₙs + ωₙ² übereinstimmen.

ωₙ² = 93 → ωₙ = 9,644 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·9,644) = 0,6222

Ergebnis

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,497 = 8,236 %

Antwort

%OS = 8,236 %
12.Sprungantwort

Antwort: ts = 1,333 s

Sprungantwort: Ein System erster Ordnung G(s) = K/(τs + 1) beantwortet einen Sprung der Größe U mit y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): Es erreicht nach einer Zeitkonstante τ 63,2 % des Endwerts K·U und nach 4τ 98 %. Ein System zweiter Ordnung G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) hat die Pole s = −ζωₙ ± jωd mit ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Für 0 < ζ < 1 schwingt die Sprungantwort über: prozentuales Überschwingen %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), Überschwingzeit (Scheitelzeit) tp = π/ωd und die 2-%-Ausregelzeit ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergleiche den Nenner mit s² + 2ζωₙs + ωₙ², um ωₙ und ζ abzulesen. Für ein Feder-Masse-Dämpfer-System gilt ωₙ = √(k/m) und ζ = c/(2√(km)); für einen Reihen-RLC-Kreis gilt ωₙ = 1/√(LC) und ζ = (R/2)·√(C/L).

Übertragungsfunktion des geschlossenen Kreises

T(s) = 300/(s² + 6s + 300): ωₙ = 17,32 rad/s, ζ = 0,1732

Ausregelzeit

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1,333 s

Antwort

ts = 1,333 s

Für diesen Kreis ist ζωₙ = a/2, unabhängig von K: Ein größeres K erhöht das Überschwingen, verkürzt aber nicht die Ausregelzeit.

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