[H3] Steuerungs- und Regelungstechnik (Grundbegriffe)

Grundbegriffe der Steuerungstechnik

Steuerungstechnik umfasst alle Techniken, mit Hilfe derer es möglich ist, Prozesse zu beeinflussen. In der Steuerungstechnik beschäftigen wir uns mit den Abläufen von Unter einem Technischen Prozess
verstehen wir den Transport von
→ Materie
→ Information und/oder
→ Energie
Technischen Prozessen
.

st1 (6K)

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 ist eine Steuerung?

Eine normgemäße Erklärung lautet unter Anderem:

Eine Steuerung verarbeitet Eingangssignale xe nach programmierten Gesetzmäßigkeiten und gibt das Ergebnis als Ausgangssignale xa wieder aus.

st2 (8K)

Daraus kann der folgende mathematische Ausdruck gebastelt werden.

st3 (1K)

Was dann kurz heißt: Die Ausgangsgrößen sind eine Die Ausgangsgrößen hängen via Programm von den Eingangsgrößen ab.
Funktion
.der Eingangsgrößen.

Blockschaltbild einer Steuerung

st5 (13K)

Ein Energie- oder Massenströme technischer Prozess muss gesteuert werden. Es werden also Signale aus dem Prozeß zu gegebener Zeit ausgewertet und Vorgänge im Prozeß eingeleitet.

Ein automatischer Arbeitsablauf erfordert, dass physikalische Größen gemessen und eventuell konstant gehalten werden. Die Abläufe während des Prozesses werden gesteuert. Daraus ergeben sich für ein Steuerungssystem folgende Aufgaben:

  1. Erfassung von Prozesszuständen
  2. Verarbeitung der Prozesszustandsdaten
  3. Beeinflussung des Prozesses aufgrund der Verarbeitungsergebnisse

Die Erzeugung, Verarbeitung und Umsetzung von Signalen ist Aufgabe einer Steuerung.

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)

st18 (15K)

Signalformen

Wir unterscheiden folgende Signalformen:

Analoges Signal Digitales Signal

Analog ist ein Signal (eine Information), wenn es innerhalb eines Wertebereichs jeden beliebigen Wert annehmen kann.

st9 (8K)

Digital ist ein Signal, wenn das Informationsparameter IP innerhalb eines Wertebereichs ein ganzzahliges Vielfaches der Grundeinheit E annehmen kann.

st11 (4K)

Diskretes Signal Binäres Signal
Diskret ist ein Signal, wenn wenn IP verschiedene, aber voneinander unabhängige Werte, innerhalb eines Wertebereichs annehmen kann.

st10 (5K)

Ein Binärsignal ist ein einparametriges digitales Signal mit nur zwei Wertebereichen eines Informationsparameters.
Es handelt sich also um ein Signal mit zwei Informationen, z.B. [ Ein|Aus ] , [ Ja|Nein ], [ 0|1 ] oder [ High|Low ]

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Wie wird ein Signal binär?

Signalzustände 0 und 1
Signalhub (rote Linie) zwischen den Zuständen:
"logisch 0" und "logisch 1".
Informationen werden in Form von elektrischen Signalen in der Prozessorik verarbeitet. Wir betrachten im Bild die Signalspannung US. Sie ist als rote Linie gezeichnet.

Die Spannung im Bereich von 0,5*US bis US wird als logische 1 bezeichnet. Ist die Spannung dagegen praktisch Null ("GND" Ground = Masse), bedeutet das eine logische 0.

auf welche Weise mehr Information in aus zwei Werten bestehend binärer Form verarbeitet werden können, zeigt der Abschnitt 6 "Codierung von Information".

Die Signalkette oder das EVA-Prinzip

Eine Steuerung wird als Signalkette beschrieben.

In einer Steuerung wird ein Signal ...
eingegeben,verarbeitet und wieder ausgegeben.
Siganlkette (17K)
Signalgeber (Sensoren)Logik (Prozess)Steller (Aktoren)
Dementsrechend gibt es in der Steuerungstechnik drei Technik-Felder
SensorikProzessorikAktorik

Die Signalkette im Einzelnen

Für die Energieversorgung einer Steuerung (Signalkette) ergibt sich folgendes Bild:

Signaleingabe (Sensorik)

Taster, Schalter und elektronische Sensoren liefern Binäre Eingangssignale.

Fühler, Dehnungsmessstreifen oder optoelektronische Sensoren liefern Analoge Eingangssignale.

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)
  4. Signalgeber binär

  5. Analog-Digitalwandler
  6. Signalgeber digital

Signalverarbeitung (Prozessorik)

In der Prozessorik werden die eingehenden Signale

  1. gespeichert,
  2. logisch verknüpft,
  3. oder über Zeitfunktionen als verbindungs- oder speicherprogrammierteprogrammierte Ausgangsfunktionen
in Ausgangssignale umgewandelt.

VPS_SPS (44K)

Ein Programm ist ein geplanter Weg, Ausgangsignale aus den verschiedenen Eingangszuständen zu gewinnen.

Dies kann SPSsoft- oder VPShardewaremäßig erfolgen.

Signalausgabe (Aktorik)

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

  1. Relais oder elektronische Schalter geben binäre Signale aus.
  2. Entweder werden die Signale analog verarbeitet, oder digital berechnet und dann in analoge Signale umgewandelt.
  3. Digital-Analog Wandler

Grundbegriffe der Regelungstechnik

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.

Reglergrundlagen

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

Die Vergleichsfunktion des Reglers stellt den Ausgleich her. 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.

       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)
       KR ... Reglerverstärkung 

Zweck eines Reglers ist die Aufrechterhaltung eines bestimmten Wertes, eben auch deshalb, weil mit verschiedenen Störgrößen Z gerechnet werden muss. Störgößen beeinflussen die Regelstrecke von außen und verändern dabei die Regelgröße, der Regler gleicht das aus - er regelt die Differenz aus.(siehe 2. Klasse Grundmodul)

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.

Realisierung von Reglern mit Operationsverstärkern

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 Ua des Reglers um ist um KP höher als seine Eingangsspannung Ue

die Ausgangsspannungsänderung ΔUa des Reglers ist nach Δt um KI höher als seine Eingangsspannung Ue

die Ausgangsspannung Ua des Reglers ist um KD größer als die Eingangsspannungsänderung ΔUe in der Zeit Δt