Regelungstechnik, Regelkreis und Regelstrecke
Hast du auch schon mal gewartet, bis die Badewanne endlich vollgelaufen ist, obwohl der Abfluss offen war? Wie du diesen Vorgang mithilfe der Regelungstechnik nachvollziehen kannst und was der Regelkreis und die Regelstrecke dabei für eine Rolle spielen, erklären wir dir im Folgenden.
Inhaltsübersicht
Was ist die Regelungstechnik und was bedeuten Regelkreis und Regelstrecke?
Du fragst dich sicherlich, wie du den Wasserstrahl einstellen musst, um den Wasserstand trotz des offenen Abflusses konstant zu halten. Um das zu berechnen, benötigen wir die Regeltechnik.
Benennen wir zunächst einmal unser Problem: Es fließt eine gewisse Menge an Wasser ab, die wir nicht kennen. Unser kleines System unterliegt also einer „Störung“. Um dieses Problem zu lösen, benötigen wir ein Messgerät, das den Wasserspiegel erfasst und ein Ventil, das wir vor unserem Wasserhahn platzieren. Die beiden bilden Teil des Regelkreises. Als Regelelement könnten wir uns einen Hebel überlegen, der das Ventil mit dem Messgerät verbindet. Sinkt der Wasserspiegel, öffnet dieser das Ventil und Wasser läuft nach. Ist die gewünschte Füllhöhe wieder erreicht, wird es geschlossen.
Regelungstechnik – Erklärung
Im Allgemeinen beschäftigt sich die Regelungstechnik also damit, wie Systeme in irgendeiner Art und Weise eingestellt und beeinflusst werden können, sodass sich ein gewünschter Zustand einstellt. Diese Systeme können auch mechanischen, elektrischen oder sogar biologischen Ursprungs sein.
Die Regelungstechnik beschäftigt sich damit, wie Systeme in irgendeiner Art und Weise eingestellt und beeinflusst werden können, sodass sich ein gewünschter Zustand einstellt.
Die Regelungstechnik ist keine eigenständige Wissenschaft, sondern bildet die Schnittstelle zwischen den Ingenieurwissenschaften und der Informatik. Der Aktor und das Messgerät im Regelkreis verkörpern das physikalische System, also das Tätigkeitsfeld der Ingenieure. Der Entwurf eines Controllers wird hingegen von Informatikern übernommen, die sich damit beschäftigen, diese Komponente möglichst automatisiert und digitalisiert umzusetzen.
Regelkreis und Regelstrecke
Das oben genannte Beispiel der Badewanne erklärt dir das Prinzip des sogenannten Regelkreises. Der Regelkreis besteht aus Komponenten und Größen. Die Größen im Regelkreis sind also Signale, die die einzelnen Komponenten aneinander weitergeben.
Zunächst einmal definieren wir uns die Begriffe im Regelkreis: Die Strecke oder Regelstrecke ist unser physikalisches System, das beeinflusst bzw. geregelt werden soll. Der Aktor ist die Komponente, die tatsächlich in die Regelstrecke eingreift, um eine Korrektur zu vollziehen. Ein Controller dient dazu, zu bestimmen, in welchem Ausmaß der Aktor schließlich agieren soll, um eine gewünschte Beeinflussung der Regelstrecke umzusetzen.
Der Aktor, unser Ventil, bildet gemeinsam mit der Regelstrecke, hier die Wanne, und dem Messgerät die erweiterte Regelstrecke. Wieso erweitert? Um unseren Controller, den Hebel, zu entwerfen, müssen wir unsere Regelstrecke auch noch um den Aktor und das Messgerät erweitern. Deren Signale sind schließlich notwendig, damit unser Hebel überhaupt agieren kann!
Regelkreis und Regelstrecke im Anwendungsbeispiel
Nachdem wir nun die Begriffe Regelstrecke sowie erweiterte Regelstrecke geklärt haben, kommen wir nun zurück zu unserer Wanne und dem dazugehörigen Regelkreis: Es fließt also immer wieder etwas Wasser aus der Wanne, unserer Regelstrecke, ab: Das haben wir schon zu Beginn als Störung bezeichnet; sie erhält die Variable z. Unser Messgerät erfasst die aktuelle Höhe des Füllstands, die Messgröße y, und gibt diese an unseren Hebel, also den Controller, weiter. Damit dieser einen konstanten Wasserspiegel einstellt, wird ihm von außen durch eine Führungsgröße w vorgegeben, dass dieser beispielsweise 45 cm zu betragen hat.
Sinkt der Stand jetzt auf 44 cm ab, befiehlt der Controller dem Aktor, unserem Ventil, durch ein Signal der Stellgröße u, sich so weit zu öffnen, dass der Füllstand wieder genau um einen Zentimeter ansteigt.
Bei der Erklärung von Regelkreis und Regelstrecke hast du nun auch ganz nebenbei durch die Pfeile und Kästchen schon eine Darstellungsform der Regelungstechnik kennengelernt: das Blockschaltbild.
Du siehst: Auch Dein Alltag steckt voller Anwendungsbereiche der Regelungstechnik. Da dir nun der Regelkreis und die Regelstrecke keine Fremdwörter mehr sind, kannst du ganz entspannt das Bad in deiner mittlerweile hoffentlich vollen Badewanne genießen.