Regelungstechnik

Regelkreis

Im Gebiet der Regelungstechnik dreht sich alles um den sogenannten Regelkreis. Wir schauen uns in diesem Beitrag an, welche Funktion dieser übernimmt und wie er aufgebaut ist.

Schon wieder so viel Text zu lesen, geht das nicht einfacher? Ja, geht es! Unser Video erklärt dir den Regelkreis anschaulich innerhalb kürzester Zeit!

Inhaltsübersicht

Regelkreis Definition

Bevor wir uns den Aufbau eines Regelkreises näher ansehen, müssen wir erstmal wissen was „Regeln“ bedeutet. Laut Definition handelt es sich um einen Vorgang, bei dem unsere Regelgröße durchgehend gemessen und mit unserem eingestellten Wert, der Führungsgröße, verglichen wird. Im Anschluss wird die Regelgröße an die Führungsgröße angepasst. Die Regelgröße beschreibt dabei jene Größe, die wir durch die Regelung gezielt konstant oder veränderlich halten wollen.

Die Regelungsgröße bei einem Tempomat eines Autos ist beispielsweise die Geschwindigkeit.

Schauen wir uns nun an, was es mit dem Regelkreis auf sich hat.

Merke
Die DIN19226 besagt: „Das wesentliche Merkmal des Regelkreises ist die Rückkopplung von Informationen.“ Der Unterschied zur Steuerung ist also, dass wir dem System bei der Regelung eine Rückmeldung durch die Rückkopplung geben.

Es findet ein Vergleich von Ist- und Soll-Wert statt. Was das genau bedeutet, erklären wir dir bei Betrachtung des Blockschaltbilds. Gehen wir nun auf die Komponenten und Größen eines Regelkreises ein.

Blockschaltbild Regelkreis

Die Führungsgröße w(t) ist die Größe, an die unsere Regelgröße angepasst werden soll. Sie wird auch als Soll-Wert oder Eingangsgröße bezeichnet. Ein einfaches Beispiel für eine Führungsgröße ist die von uns eingestellte Temperatur in einem Raum, zum Beispiel 20 Grad Celsius.

Es folgt das Vergleichsglied e(t), welches die Differenz

e(t)=w(t)-x(t)

zwischen der Führungsgröße und der Regelgröße berechnet. Also im Falle der Heizung, die Differenz zwischen der eingestellten gewünschten, und der tatsächlichen Temperatur.

Diese Differenz ist die Eingangsgröße für unseren Regler, welcher eine geeignete Steuergröße u(t) berechnet. Um beim Beispiel der Heizung zu bleiben, wäre der Regler also der Computer unserer Heizungsanlage. Die Steuergröße wird nun an das Stellglied weitergeben. Stellglieder können in Form von Ventilen, Heizungen oder Motoren vorliegen. Aus diesem resultiert proportional zur Steuergröße die Stellgröße y(t). Diese beträgt zwischen 0 und 100 Prozent.

Blockschaltbild Regelkreis Führungsgröße Regelabweichung Regler Stellglied Stellgröße
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Blockschaltbild Regelkreis

Als nächstes folgt die Regelstrecke. Hierbei handelt es sich um eine mathematische Darstellung der physikalischen Prozessgrößen eines Systems, welches durch die Regeleinrichtung geregelt wird. Um ein System optimal regeln zu können, muss die Regelstrecke möglichst genau beschrieben werden. Meistens ist diese zeitabhängig. Das heißt, die Regelstrecke ist der Teil, in welchem die Regelgröße beeinflusst wird. Die mathematische Darstellung kann experimentell ermittelt werden oder über ein mathematisches Modell geschehen.

Sehr gut, wir haben es fast geschafft! Schauen wir uns noch den letzten Teil des Regelkreises an.

Regelkreis Störgröße

Auf die Regelstrecke wirkt eine Störgröße z(t) ein. Bei Störgrößen handelt es sich um, von außen einwirkende, Faktoren, welche unsere Regelstrecke unerwünscht beeinflussen. In unserem Beispiel könnte dies ein offenes Fenster im zu beheizbaren Raum sein. Wünschenswert ist ein möglichst geringer Einfluss der Störgröße auf die Regelstrecke. Ist dies gegeben, sprechen wir von einem guten Störverhalten.

Nach der Regelstrecke erhalten wir jetzt unsere Regelgröße x(t), auch Ist-Wert genannt. Diese wollen wir durch die Regelung konstant halten oder gezielt verändern. Ziel ist es, dass die Regelgröße den Wert der Führungsgröße annimmt.

Im Gegensatz zu einer Steuerung tritt hier bei der Regelung im Regelkreis eine Rückführung auf. Charakteristisch für jeden Regelkreis ist, dass diese negativ angegeben ist. Daher resultiert das Minus am Vergleichsglied im Blockschaltbild. Die Regelgröße wird nach der Regelstrecke abgegriffen, von einem Messglied gemessen und danach in das bereits erwähnte Vergleichsglied rückgeführt. Somit wird die Regelgröße fortlaufend erfasst und mit der Führungsgröße verglichen. Bei einer Steuerung fällt dieser Zweig weg.

Blockschaltbild mit Regelstrecke, Störgröße, Regelgröße und Messglied
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Blockschaltbild mit Regelstrecke, Störgröße, Regelgröße und Messglied

Der Regler, das Stell- und Messglied, sowie das Vergleichsglied stellen zusammen die Regeleinrichtung dar.

Regelkreis Beispiel

Aus dem Gelernten versuchen wir jetzt einen beispielhaften Regelkreis für einen Tempomat in einem Blockschaltbild aufzubauen.

Der Fahrer gibt die gewünschte Geschwindigkeit vor, die der Tempomat halten soll. Die vorgegebene Geschwindigkeit ist die Führungsgröße und der Tempomat der Regler.

Der mit dem Tempomat verbundene Bordcomputer berechnet den Öffnungswinkel der Drosselklappe. Der Öffnungswinkel stellt dabei die Steuergröße und die Drosselklappe das Stellglied dar. Über diese kann das benötigte Drehmoment eingestellt werden.

Die resultierende Luftmasse gelangt in den Motor und das Drehmoment wird erzeugt. Zusammen mit dem Motor stellt das Fahrzeug die Regelstrecke dar.

Als Störgrößen kommen beispielsweise der Luftwiderstand und der Steigungswiderstand zum Tragen. Du kannst dir nochmal unsere Videos dazu ansehen, wenn du nicht mehr ganz genau weißt um was es dabei geht!

Regelkreis Beispiel Tempomat Regler Stellglied Stellgröße Regelstrecke Messglied
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Regelkreis Beispiel

Die austretende Regelgröße ist die Fahrzeuggeschwindigkeit, die zum einen auf unserem Tacho angezeigt wird und zum anderen an den Tempomat zurückgeht.


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