Regelungstechnik

Einführung Regelungstechnik

Die Regelungstechnik ist ein Bereich der Ingenieurswissenschaften und beschäftigt sich mit denjenigen Regelungsvorgängen, die in der Technik vorkommen können. Die Regelungstechnik ist somit auch Teil der Automatisierungstechnik. Diese Technik erlaubt die selbständige Steuerung von Prozessen, die Regelung dieser Prozesse und die Messung relevanter Größen, ohne, dass eine dieser Regelungen von extern beeinflusst werden muss. Die Regelungstechnik arbeitet dabei immer spartenübergreifend: Von Entwicklern und Anwendern werden also meist technische, physikalische und mathematische Kenntnisse erwartet.

Allgemeine Vorgehensweise der Regelungstechnik

Die Regelungstechnik beschreibt also die zielgerichtete Beeinflussung bestimmter Größen in technischen Systemen. In allen technischen Systemen –darunter fallen zum Beispiel Geräte, Apparate, Maschinen, Anlagen oder biologische Systeme- kommen Größen vor, die prinzipiell veränderlich sind, aber meist nicht verändert werden sollen. Störeinflüsse wie zum Beispiel Temperatur, Druck, Drehzahl oder pH-Wert müssen also ausgeglichen werden. Es kann aber auch der umgekehrte Fall eintreten, dass bestimmte Größen gezielt in die eine oder andere Richtung beeinflusst werden müssen, um den reibungslosen Ablauf in einem System zu gewährleisten. Allgemein arbeitet die Regelungstechnik nach einem Sollwertmechanismus. Der Sollwert ist diejenige Größe der zu beeinflussenden Komponente, die den gewünschten Wert, meist den Idealwert, verkörpert. Gemessen wird ein Istwert, d.h. der zu dem Zeitpunkt im System vorliegende Wert der zu beeinflussenden Größe. Dieser wird auf der Basis von praktischen Experimenten ermittelt und danach vom System selbst theoretisch beschrieben. Besteht zwischen Soll – und Istwert ein Unterschied so wird ein Regelkreis entworfen. Durch diesen werden bestimmte Mechanismen in Bewegung gesetzt, die diese Diskrepanz zwischen Soll- und Istwert auflösen sollen. Während der Entwicklungsphase eines Regelkreissystems wird dieser Regelkreis ständig optimiert, da es in der Realität eigentlich in allen Fällen so ist, dass sich der theoretisch entwickelte Regelkreis in seiner Funktion und seinen Auswirkungen stark von dem tatsächlichen Regelkreis unterscheidet. Dies liegt zum einen daran, dass bestimmte theoretische Überlegungen nicht praktisch umgesetzt werden können. Zum anderen ist es aber auch so, dass der tatsächlich vorliegende Regelkreis noch durch viele weitere Elemente, die im System vorliegen, beeinflusst werden kann. Diese Störeinflüsse können im Extremfall dazu führen, dass der Regelkreis gar nicht mehr gemäß seiner ursprünglich erdachten Funktion arbeitet. Ist der Sollwert dann erreicht, werden die Regelmechanismen automatisch wieder abgeschaltet, bis die nächste Abweichung festgestellt wird.

Die Regelungstechnik beschäftigt sich also mit den folgenden Komponenten:

  • Regelgröße
  • Sollwert
  • Istwert
  • Effektor
  • Detektor

Diese Komponenten werden im Folgenden anhand eines Beispiels erklärt. Ein Regelkreis wird dabei meistens als sogenannter Signalflussplan dargestellt. In diesem Signalflussplan werden die Funktionselemente einfach als Kästchen und die Funktionsgrößen als Linien dargestellt.

Beispiel Regelungstechnik

Das am meisten benutzte und eigentlich weltweit bekannte Beispiel der Regelungstechnik ist die Heizungsanalogie. Andere Beispiel sind zum Beispiel der Zweipunktregler, wie er sich in Kühlschränken oder Bügeleisen findet, der Autopilot im Flugverkehr, in der Schifffahrt oder der Raumfahrt oder auch das Antiblockiersystem oder der Tempomat in der Fahrzeugtechnik. Die Regelung der Raumtemperatur ist dabei aber nach wie vor das einfachste Beispiel: Das Ziel ist eine konstante Raumtemperatur, die gehalten wird, ohne dass externe Kräfte dazu beitragen müssen. Die Raumtemperatur ist hierbei also die Regelgröße. Der gewünschte Sollwert wird manuell eingestellt. Die Störgröße ist zum Beispiel das Öffnen eines Fensters wodurch kalte Luft in den Raum gelangt und die Temperatur dadurch abgesenkt wird. Das Thermostat – auf dem die gewünschte Temperatur eingestellt wird – ist zugleich auch der Detektor. Der Detektor misst die aktuelle Raumtemperatur und vergleicht diese kontinuierlich mit dem eingestellten Sollwert. Sobald eine Abweichung detektiert wird, werden vom Thermostat bestimmte Regelungsvorgänge eingeleitet: Das Ventil wird verstellt, so dass der Warmwassereinstrom in die Heizung entweder erhöht oder verringert wird, je nachdem, ob die Abweichung negativ oder positiv ist. Der Effektor – d.h. der Mechanismus, der die Größe dann aktiv wieder verändert – ist also in diesem Fall die Heizung. Der Effektor verändert also den Istwert, möglichst so, dass der Sollwert wieder erreicht wird. Durch Verkleinerung der Diskrepanz zwischen Soll- und Istwert wird die Veränderung des Ventils im Thermostat automatisch wieder rückgängig gemacht, so dass der Warmwassereinstrom wieder auf sein ursprüngliches Maß zurückgeführt wird. Da die Regelgröße hier aktiv auf den Regler selbst einwirkt spricht man auch von einem Regelkreis. Dieser geschlossene Kreismechanismus unterscheidet eine Regelung eindeutig von einer Steuerung. Bei einer Steuerung wird eine Größe gezielt von einem System beeinflusst. Die Größe selbst hat aber keinen rückläufigen Einfluss auf das System. Die Wirkungsrichtung bei einer Steuerung ist also gradlinig und die Beeinflussung erfolgt nur in eine Richtung.

Arten der Regelung

Auch wenn das Grundprinzip immer darin besteht, die Regelgröße zu messen und mithilfe des Effektors auf ihren Sollwert zurückzuführen, werden dennoch zwei Arten der Regelung unterschieden: die Festwertregelung und die Folgeregelung.

Festwertregelung

Bei der Festwertregelung ist der Regelgröße ein einziger fester Sollwert vorgegeben. Hier arbeitet der Regelmechanismus also nur so, dass er die Auswirkungen aller möglichen Störeinflüsse von außen möglichst gut kompensiert.

Folge- oder Nachlaufregelung

Bei der Folge –oder Nachlaufregelung ist nicht ein einzelner fester Sollwert vorgegeben, sondern der Istwert soll der fest vorgegebenen zeitlichen Veränderung des Sollwerts folgen. Der variable Sollwert wird in diesem Fall als Führungsgröße bezeichnet.

Komponenten Zusammenfassung

Die wichtigsten Komponenten des Regelkreises sind also:

  • Regler: ergreift Korrekturmaßnahmen.
  • Regelstrecke: Der Teil des Regelkreises, der vom Regler aus geregelt werden soll.
  • Sollwert: auch Führungsgröße genannt, ist der vorgegebene Wert, auf dem die Regelgröße durch den Regler gehalten wird. Er wird von der Regelung selbst nicht beeinflusst, sondern von außen zugeführt.
  • Istwert: auch Regelgröße genannt, ist die Ausgangsgröße der Regelstrecke. Sie wird zum Zweck der Regelung erfasst und verändert.
  • Regelabweichung: ist die Differenz zwischen der Führungs- und der Regelgröße und bildet damit die eigentliche Eingangsgröße des Reglers.
  • Stellgröße: ist die Ausgangsgröße des Reglers und damit gleichzeitig die Eingangsgröße der Regelstrecke. Sie bewirkt die Angleichung der beiden Werte Soll- und Istwert.
  • Störgröße: ist eine von außen einwirkende Kraft, die die Veränderung der Istgröße bewirkt und somit die Ursache für den einsetzenden Regelmechanismus darstellt.

Komponenten im Detail

Die Regelstrecke

Die Regelstrecke besteht in den meisten Fällen aus einer Vielzahl von einzelnen Abschnitten. Diese werden anhand ihres Zeitverhaltens charakterisiert. Um dieses im Einzelfall herauszufinden, wird am Eingang der Regelstrecke ein Testsignal angelegt und die jeweilige Antwort aufgezeichnet. Das genaue Wissen über die Reaktionen einer Regelstrecke und über ihr dynamisches Verhalten ist die Grundvoraussetzung, um einen gut funktionierenden Regelkreis aufzubauen. Das liegt daran, dass anhand dieser Eigenschaften der Regelstrecke die dafür geeigneten Regler ausgewählt und entsprechend parametriert werden. Es gibt einige Grundelemente, die in einer Regelstrecke enthalten sind und deren Eigenschaften grundlegend beeinflussen. Die einzelnen Elemente werden dabei immer als einfaches Kästchen dargestellt, in dem sich ein bestimmtes, nur diesem Element zuzuordnendes Symbol befindet. Das Symbol kennzeichnet die Antwort auf das Eingangssignal.

Das P-Glied bzw. Proportionalglied

Dieses bildet die einfachste Art der Regelstrecke und ist zum Beispiel in Getrieben, Verstärkern, Hebeln oder Spannungsteilern zu finden.

Das I-Glied bzw. Integratorglied

Der Integrator ist eine Strecke ohne Ausgleich. Er ist ebenfalls sehr häufig in Regelstrecken vorhanden. Anwendungsbeispiele sind die Beschleunigung oder die Spannungsübertragung.

Das Verzögerungsglied 0

Ordnung wird auch Totzeitglied genannt und entsteht durch Laufzeiten von Signalen oder Material. Zu finden ist es zum Beispiel in Förderbändern oder Analog-Digital-Wandlern.

Das Verzögerungsglied 1

Ordnung-wird auch mit dem Begriff PT1-Glied abgekürzt und ist ein P-Glied mit nicht zu vernachlässigendem Zeitverhalten. Einsatzbereiche sind der Gleichstrommotor und die Widerstand-Kondensator-Schaltung.

Das Verzögerungsglied 2

Ordnung wird analog mit PT2-Glied abgekürzt und in schwingungsfähige und nicht schwingungsfähige PT2-Glieder unterteilt. Schwingungsfähige PT2-Glieder haben eine Dämpfung <1und finden sich zum Beispiel in mechanischen Schwingern oder elektrischen Schwingkreisen. Nicht schwingungsfähige PT2-Glieder sind zum Beispiel zwei hintereinander geschaltete PT1-Glieder.

Der Regler

Der Regler soll die Istgröße so verändern, dass sie den Wert der Führungsgröße erreicht. Auch hier werden verschiedene Regler angeboten. Welcher Regler im Einzelfall gewählt wird, hängt einzig und allein vom Zeitverhalten der Regelstrecke und der erforderlichen Genauigkeit des Reglers ab. Es wird unter anderem unterschieden zwischen den folgenden Typen:

P-Regler
Dieser Regler multipliziert die Regelabweichung mit einem spezifischen Verstärkungsfaktor und gibt diesen Wert dann ohne Verzögerung weiter. Dieser Regler ist zwar sehr schnell und einfach, das bleibende Problem ist aber die Regelabweichung.

I-Regler
Dieser Regler wird auch integralwirkender Regler genannt. Er summiert die Regelabweichung über eine bestimmte Zeit auf und multipliziert diese Summe mit einem bestimmten Faktor. Der durch den I-Regler geregelte Regelkreis ist relativ langsam. Dieser Nachteil wird aber kompensiert durch den Vorteil, dass die Regelabweichung vollständig eliminiert wird.

PI-Regler
In diesem Regler werden die beiden oben genannten Regler miteinander kombiniert. Daher zeichnet sich dieser Regler sowohl durch schnelle Reaktionszeiten, als auch durch eine exakte Ausregelung aus.

PD-Regler
Der PD-Regler ist eine Erweiterung des P-Reglers um einen D-Anteil. Ein so geregelter Kreis ist sehr schnell und zeichnet sich zudem durch eine hohe Stabilität aus, die von vielen anderen Regelkreisen nicht erreicht wird. Dennoch ist das Problem der bleibenden Regelabweichung auch hier noch vorhanden. Zudem kann es zu Unruhen im Regelkreis kommen, wenn zum Beispiel das Signal verrauscht ist.

PID-Regler
Dieser Regler ist der Regler, der am universellsten einsetzbar ist. Er vereinigt alle Vorteile des P-, I- und D-Anteils. Daher ist ein solchermaßen geregelter Regelkreis sehr schnell und sehr genau. Aufgrund dieser Tatsache kommt heute auch der PID-Regler in den allermeisten Anwendungen zum Einsatz.

Digitaler Regler
Beim digitalen Regler wird ein Signal nicht mehr analog umgesetzt, sondern mit einem Mikroprozessor errechnet und bearbeitet. Dazu muss in den Regelkreis ein A/D-Wandler implementiert sein, der das Eingangssignal (den Istwert) digitalisiert. Das vom Regler festgesetzte Signal muss dann ebenfalls mithilfe eines Digital-Analog-Umsetzers wieder in ein analoges Signal umgewandelt werden, bevor es als Eingangssignal auf der Regelstrecke eintrifft. In Bezug auf die Funktion unterscheiden sich digitale und analoge Regler nicht voneinander. Bei einem digital geregelten Regelkreis müssen eben nur die entsprechenden Schnittstellen angepasst werden. Der digitale Regler hat aber heutzutage den Vorteil, dass er in den meisten Fällen kostengünstiger ist, als ein analoger Regler. Diese Tatsache ist auf die schnelle Entwicklung im Bereich der Mikroprozessoren zurückzuführen, wodurch deren Preise erheblich reduziert werden konnten.