Organisation des Buches

Im Kapitel 1 wird eine allgemeine Einführung in die Regelung von Prozessen präsentiert. Eine kurze Einführung in die Material- und Energiebilanzen unter transienten Bedingungen wird im Kapitel 2 gegeben, während die Kapitel 21 und 22 den notwendigen, grundlegenden mathematischen Hintergrund zur Laplace-Transformation und zur Matrizen-Theorie darstellen.

Die Dynamik von Prozessen ist das Thema der Kapitel 3-9 und 14. Die Präsentation beginnt mit den einfachsten Fällen (Systeme erster Ordnung) im Kapitel 3 und wird dann verallgemeinert. Die Präsentation erfolgt im Zeitbereich (einschließlich diskreter Zeitsysteme) und gleichzeitig im Bereich der Laplace-Transformation (einschließlich der Frequenzantwort). In den Kapiteln 4 und 5 wird die Dynamik von Systemen betrachtet, die durch die Verknüpfung von Systemen erster Ordnung entstehen, sowie von Systemen, die intrinsisch zweiter Ordnung sind.

Systeme höherer Ordnung werden in den Kapiteln 6-9 im Zustandsraum (Kapiteln 6 und 7) und im Laplace-Raum (Kapiteln 8 und 9) untersucht. In diesen Kapiteln wird das Konzept der Stabilität (asymptotische Stabilität und Eingangs-/Ausgangsstabilität) eingeführt und analysiert. Die Dynamik von Systemen mit Zeitverzögerung wird im Kapitel 14 präsentiert. Alle Kapitel, die sich mit der Dynamik befassen, stellen einen wesentlichen Teil eines Bachelor-Kurses zur Dynamik und Prozessregelung dar.

Der Rest des Buches beschäftigt sich mit der Prozessregelung. Die grundlegende Struktur von Regelungen mit Rückkopplung der Ausgabe wird in den Kapiteln 10-14 behandelt. Im Kapitel 10 wird eine allgemeine Einführung gegeben und die Struktur der klassischen PID-Regler sowohl im Zeitbereich als auch im Laplace-Bereich definiert. Die Analyse von geschlossenen Regelungssystemen durch Übertragungsfunktionen ist das Thema der Kapitel 11 und 12. Kapitel 13 behandelt dasselbe Thema, jedoch basiert die Analyse auf dem Zeitbereich. Systeme mit Zeitverzögerung werden im Kapitel 14 vorgestellt. Ein separates Kapitel wird der Zeitverzögerung gewidmet, aufgrund der besonderen mathematischen Methoden, die die Untersuchung der entsprechenden Systeme erfordert. Die Kapitel 10-14 stellen den Mindestinhalt dar, der in einem entsprechenden Bachelor-Kurs zur Regelung behandelt werden sollte.

Die folgenden Kapitel behandeln Themen, die optional sind, und es liegt in der Verantwortung des Dozenten, die geeignetsten auszuwählen. Genauer gesagt, im Kapitel 15 wird der geometrische Ort der Wurzeln behandelt, während im Kapitel 16 Kalibrierungsmethoden für klassische Regler unter Anwendung von Optimierungsmethoden vorgestellt werden. Das Thema der relativen Stabilität wird im Kapitel 17 behandelt, mit einem Schwerpunkt auf Kalibrierungsmethoden für klassische Regler basierend auf der relativen Stabilität. Im Kapitel 18 werden Systeme mit mehreren Eingaben und Ausgaben untersucht, während moderneTechniken zur Synthese von Reglern basierend auf mathematischen Modellen im Kapitel 19 vorgestellt werden. Kapitel 20 konzentriert sich auf Methoden zur fortgeschrittenen Prozessregelung: Verhältnisregelung, Regelung von Anordnungen und Vorsteuerung sowie kombinierte Vorsteuerung/Rückkopplung. Die fortgeschrittenen Methoden werden zunächst einfach vorgestellt und später werden moderne Synthesemethoden für Regelungen auf Basis mathematischer Modelle eingeführt.

Es sollte betont werden, dass jedes Kapitel mit einem Abschnitt über die Software MATLAB und Maple endet. Ziel ist es, den Leser schrittweise mit diesen Programmen durch einfache Beispiele einzuführen, die im entsprechenden Kapitel analytisch gelöst wurden. MATLAB verfügt über äußerst leistungsstarke Algorithmen zur Durchführung komplexer numerischer Berechnungen, während Maple für die Möglichkeit, symbolische Rechnungen durchzuführen, bekannt ist.

Im folgenden Tisch wird exemplarisch eine mögliche Struktur für einen Bachelor-Kurs zur Dynamik und Prozessregelung vorgestellt. Diese Struktur entspricht der Vorgehensweise zur Lehre des Kurses an der Texas A&M University in den USA. Sie spiegelt die persönlichen Präferenzen des Autors in Bezug auf (i) die Behandlung von Synthesemethoden für Regler (Optimierungsmethoden und fortgeschrittene Methoden, die auf mathematischen Modellen basieren) und (ii) die Verteilung der Lehrstunden wider (langsame Einführung der grundlegenden Konzepte zu Beginn und anschließende Beschleunigung). Jeder Dozent sollte sich auf seine eigenen Kriterien zur Auswahl des geeignetsten Lehrmaterials stützen, ebenso wie auf das Niveau der Bachelor-Studenten.