Grundlagen Steuerungen - Regelungen

Der Technische Prozess

Unter einem Technischen Prozess versteht man allgemein den Transport von:

  1. Energie
  2. Material oder
  3. Information.

In einen Technischen Prozess kann durch Stellglieder über

  1. eine Steuerung oder
  2. eine Regelung

eingegriffen werden. Dementsprechend wird der Material-, Energie- oder Informationsfluss gesteuert oder geregelt.

Was unterscheidet das Steuern vom Regeln?

Die Signalkette beim Steuern

Blockbild Steuerung

Die Eingangssignale wirken über eine Steuereinrichtung und Stellglieder ( = roter Kreis) auf einen Technischen Prozess ( = Steuerstrecke).

Eine änderung des Prozesszustandes hat dabei keinen Einfluss auf die Steuereinrichtung. Ein änderungszustand ist stabil.

Wenn sich die Umgebungsbedingungen wieder ändern, müssen die Eingangsgrößen neuerlich verstellt werden, um den Prozess wieder anzupassen.

Eine Steuerung ist durch den offenen Wirkungskreis ( = die Signal- oder Steuerkette) gekennzeichnet.

Der Signalkreislauf beim Regeln

Blockbild Steuerung

Die Eingangssignale wirken über eine Regeleinrichtung und Stellglieder auf einen Technischen Prozess ( = Regelstrecke).

Der Prozesszustand wird aber laufend mit geeigneten Messmitteln überwacht ( = grüner Kreis).

Jeder änderungszustand wird zum Eingang der Regeleinrichtung zurückgeführt, so dass die Signalverarbeitung laufend damit beschäftigt ist, änderungen auszugleichen (auszregeln). Der Zustand ist daher unstabil.

Eine Regelung ist durch den geschlossenen Wirkungskreis ( = den Regelkreis) gekennzeichnet.

Welche Wege gehen die Signale

Signaleingabe (Sensorik)

Taster, Schalter und elektronische Sensoren liefern die Bedienungssignale oder Rückmeldesignale.

Wichtig ist die Möglichkeit, technisch unterschiedlich arbeitende Signalgeber durch entsprechende Massnahmen auf die Steuerung anzupassen ( = Signalanpassung). Beispiele dafür sind:

  1. Druck-(luft-)schalter
  2. Temperaturschalter (Thermostat)
  3. Drehzahlschalter (Fliehkraftschalter)
Signalgeber binär
  1. Analog-Digitalwandler

Signalgeber digital

Signalverarbeitung (Prozessorik)

Hier werden die eingehenden Signale gespeichert, logisch verknüpft, oder über Zeitfunktionen als programmierte Ausgangsfunktionen in Ausgangssignale umgewandelt. Allgemein ist ein Programm ein geplanter Weg (Hard- oder/und Software), die Ausgangsignale aus den verschiedenen Eingangszuständen zu gewinnen.

Nach der Art der Signalverarbeitung unterscheiden wir:

  1. Verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS = elektrisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektronisch verbundene Funktionsglieder)
  2. Festprogrammierte Steuerung (keine Programmänderung möglich)
  3. Umprogrammierbare Steuerung (umstecken von Leitung, tauschen von Steckkarten)
  4. Speicherprogrammierbare Steuerung (in Symbolform speicher- und änderbar)
  5. Freiprogrammierbare Steuerung (Der Programmspeicher ist ein Schreib-Lese-Speicher, dessen Inhalt ohne mechanische Hilfe verändert werden kann)

Signalausgabe (Aktorik)

Die Ausgabe der Signale muss wieder dem Arbeitsmedium der Steuerung oder Regelung angepasst werden. Die Signale oder Daten können folgendermaßen ausgeben werden

  1. analog (ist ein Signal, wenn es innerhalb gewisser Grenzen jeden beliebigen Wert annehmen kann)
Entweder werden die Signale analog verarbeitet, oder digitalisiert berechnet und dann in analoge Signale umgewandelt.
  1. binär (ist ein Signal mit lediglich zwei Werten, ZB "0" und "1")
  2. digital (ist ein Signal, wenn es innerhalb eines Wertebereichs ein ganzzahliges Vielfaches der Grundeinheit E annehmen kann).

Digital-Analog Wandler

Reglergrundlagen

Reglerschema

xi ... Istwert der Regelgröße (Momentanzustand der Regelstrecke)
xs ... Sollwert der Regelgröße (Vorgabewert aus der Führungsgröße w)
xd ... Regeldifferenz aus dem Vergleich des Ist- und Sollwertes (xd = xs - xi)

Allgemein kann die Regelung einer Regelgröße X als Vergleich ihres Istwertes xi mit ihrem Sollwert xs aus der Führungsgröße W betrachtet werden.

Zweck ist die Aufrechterhaltung eines bestimmten Wertes, eben auch deshalb, weil mit verschiedenen Störgrößen Z gerechnet werden muss. Sie beeinflussen die Regelstrecke von außen und verändern dabei die Regelgröße.

Die Vergleichsfunktion des Reglers schafft dann den Ausgleich. Wird die Regelgröße vergrößert, verkleinert der Regler die Stellgröße (und umgekehrt). Dieser Vorgang wird durch das Vorzeichen an der Messstelle ( = Kreis) in der Regelstrecke angedeutet.

Typen von Reglern

Grundsätzlich gibt es drei verschiedene Reglertypen, die alleine oder kombiniert verwendet werden können. Die folgende Tabelle zeigt die drei Reglertypen mit ihren wichtigsten Merkmalen:

P-Regler I-Regler D-Regler
P-Regler mit OP I-Regler mit OP D-Regler mit OP
Die Sprungfunktion ( = einschalten einer Eingangsspannung) zeigt am deutlichsten den Unterschied der Reglerfunktion.
Sprungfunktion des P-Reglers Sprungfunktion des I-Reglers Sprungfunktion des D-Reglers
Die Reglerverstärkung wird als "Beiwert" bezeichnet:
So ist der Proportionalbeiwert KP
der Integrierbeiwert KI
und der Differenzierbeiwert KD
die Ausgangsspannung des Reglers um ist um KP höher als seine Eingangsspannung

die Ausgangsspannungsänderung des Reglers ist um KI höher als seine Eingangsspannung

die Ausgangsspannung des Reglers ist um KD größer als die Eingangsspannungsänderung

Reglersymbole und Kenngrößen

Die Symbolik der Regler lehnt sich an die Sprungantwort an:
P-Regler I-Regler D-Regler
Symbol P-Regler Symbol I-Regler Symbol D-Regler
Es müssen ja nicht unbedingt nur Spannungen geregelt werden. Die Funktion der Regler ist allgemein gesagt die Reaktion des Reglers auf die eingehende Regeldifferenz xd mit der Verstellung der Stellgröße y.
Die Verstellung der Stellgröße y ist proportional der Regeldifferenz xd.
Gibt es keine Regeldifferenz, gibt es auch kein Stellsignal. Der P-Regler braucht immer eine Regelabweichung!
Die Stellgrößenänderung Δy / Δt ist proportional der Regeldifferenz xd.
Der Regler fährt bei einer Regeldifferenz bis zur Grenze des sogenannten Stellbereiches. Dies umso schneller, je größer die Regeldifferenz ist.
Die Verstellung der Stellgröße y ist proportional der Regelgrößenänderung Δxd / Δt.
Wenn sich die Regelgröße zeitlich ändert, reagiert der Regler schnell mit einem impulsförmigen Stellsignal.