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.
In einen Technischen Prozess kann durch Stellglieder über
eingegriffen werden. Dementsprechend wird der Material-, Energie- oder Informationsfluss gesteuert oder geregelt.
Eine normgemäße Erklärung lautet unter Anderem:
Eine Steuerung verarbeitet Eingangssignale xe nach programmierten Gesetzmäßigkeiten und gibt das Ergebnis als Ausgangssignale xa wieder aus.
Daraus kann der folgende mathematische Ausdruck gebastelt werden.
Was dann kurz heißt: Die Ausgangsgrößen sind eine
Die Ausgangsgrößen hängen via Programm von den Eingangsgrößen ab.
Funktion.der Eingangsgrößen.
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:
Die Erzeugung, Verarbeitung und Umsetzung von Signalen ist Aufgabe einer Steuerung.
Nach der Art der Signalverarbeitung unterscheiden wir:
Wir unterscheiden folgende Signalformen:
Analoges Signal | Digitales Signal |
---|---|
Analog ist ein Signal (eine Information), wenn es innerhalb eines Wertebereichs jeden beliebigen Wert annehmen kann.
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Digital ist ein Signal, wenn das |
Diskretes Signal | Binäres Signal |
Diskret ist ein Signal, wenn wenn |
Ein Binärsignal ist ein einparametriges digitales Signal mit nur zwei Wertebereichen eines Es handelt sich also um ein Signal mit zwei Informationen, z.B. [ Ein|Aus ] , [ Ja|Nein ], [ 0|1 ] oder [ High|Low ] |
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".
Eine Steuerung wird als Signalkette beschrieben.
In einer Steuerung wird ein Signal ... | ||
eingegeben, | verarbeitet und | wieder ausgegeben. |
Signalgeber (Sensoren) | Logik (Prozess) | Steller (Aktoren) |
Dementsrechend gibt es in der Steuerungstechnik drei Technik-Felder | ||
Sensorik | Prozessorik | Aktorik |
Für die Energieversorgung einer Steuerung (Signalkette) ergibt sich folgendes Bild:
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:
In der Prozessorik werden die eingehenden Signale
Ein Programm ist ein geplanter Weg, Ausgangsignale aus den verschiedenen Eingangszuständen zu gewinnen.
Dies kann SPSsoft- oder VPShardewaremäßig erfolgen.Die Ausgabe der Signale muss wieder dem Arbeitsmedium der Steuerung angepasst werden. Die Signale oder Daten können folgendermßen ausgeben werden
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.
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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.
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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)
Die Symbolik der Regler lehnt sich an die Sprungantwort an: | ||
P-Regler | I-Regler | D-Regler |
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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. |
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 |
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Die Sprungfunktion ( = einschalten einer Eingangsspannung) zeigt am deutlichsten den Unterschied der Reglerfunktion. | ||
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 |