Regelungstechnik, Begriffe und Benennungen

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Quellen: Meyers Lexikon, Wikipedia


Regelkreis, ein geschlossener Wirkungsweg aus Regelstrecke und Regeleinrichtung, in dem eine Regelung durchgeführt wird. Innerhalb eines Regelkreises wird der Wert der Regelgröße von einer Messeinrichtung am Messort als Istwert fortwährend erfasst und mit dem vorgegebenen Sollwert verglichen. Die Regelgröße ist diejenige Größe im Regelkreis, die auf einen bestimmten Wert gebracht oder konstant gehalten werden soll. Ihr momentaner Wert heißt Ist-Wert und wird mit x gegennzeichnet. Über die Führungsgröße wird der gewünschte Wert der Regelgröße als Soll-Wert vorgegeben. Der Soll-Wert und wird mit w gekennnzeichnet. Bei Regelabweichungen infolge von Störgrößen bewirkt das Stellglied am Stellort eine der ursächlichen Änderung entgegengesetzte Verstellung des Energie- oder Massestroms. Eine Störgröße ist jede Einflussgröße, mit Ausnahme der Führungsgröße, die die Regelgröße beeinflusst und wird mit z gekennnzeichnet. Das Stellglied ist in der Regelungstechnik das am Eingang der Strecke angeordnete, zur Strecke gehörende Glied, das in den Massestrom oder Energiefluss eingreift. Sein Eingangssignal ist die Stellgröße y am Ausgang der Steuereinrichtung.


Regler, Teil des Regelkreises einer technischen Einrichtung (Regelungstechnik), der fortlaufend die Regelabweichung misst und auf deren Verminderung hinwirkt. Der Regler erzeugt eine Stellgröße, die über ein Stellglied die Regelstrecke beeinflusst. Man unterscheidet stetige und unstetige, kontinuierlich wirkende und Abtastregler. Nach ihrem Zeitverhalten lassen sich die Regler in fünf Grundtypen einteilen: P-Regler (erzeugt ein der Regelabweichung proportionales Stellsignal), I-Regler (bildet ein dem Zeitintegral über die Regelabweichung proportionales Ausgangssignal), PI-Regler (Parallelschaltung von P- und I-Regler), PD-Regler (P-Regler mit differenzierendem Übertragungsglied) und PID-Regler (Parallelschaltung von PD- und I-Regler).


Übertragungsverhalten: Eine Veränderung der Eingangsgröße eines Regelkreisgliedes bewirkt in der Regel eine Veränderung der Ausgangsgröße. Die Änderung der Ausgangsgröße kann verzögert auftreten, jedoch niemals vor einer Eingangsgrößenänderung (Kausalitätsprinzip). Das Übertragungsverhalten des Regelkreisgliedes kennzeichnet die Zuordnung von Ausgangs- zu Eingangsgröße und hängt vom physikalischen Aufbau ab.


Als Regelstrecke bezeichnet man in der Regelungstechnik das jenige System, dessen Verhalten anhand einer Regelung gemäß Vorgaben zielgerichtet verändert wird. Im technischen Sinn ist die Regelstrecke ein Gerät oder eine Anlage, im systemtheoretischen Sinn ganz allgemein ein System. Das Verhalten der Regelstrecke beschreibt den Zusammenhang physikalischer Größen (den Prozess) einer Anlage oder einzelner Geräte, beispielsweise das Verhalten der Temperatur in einem beheizten Zimmer. Damit eine Regelung zur Erfüllung der Ziele des Kreisverhaltens entworfen werden kann, muss ein geeignetes Modell des Verhaltens der Regelstrecke bekannt sein. Die regelungstechnische und mathematische Behandlung von Regelstrecken ist in mehrfacher Hinsicht problematisch. Einerseits ist die Art der Strecke durch das zu regelnde Problem meist vorgegeben und in ihren Parametern nur wenig veränderbar, anderseits sind die Kenngrößen der Strecke fast immer unbekannt und müssen auf Grundlage physikalischer Gesetzmäßigkeiten oder experimentell ermittelt werden. Das Zeitverhalten dient zur Beurteilung der Frage, ob eine Strecke im Zusammenwirken mit anderen Teilen des Regelkreises sinnvolle Ergebnisse liefert. Um das Zeitverhalten zu bestimmen, bedient man sich sogenannter Testfunktionen. Dazu zählen u.a. die Sprungfunktion, die Impulsfunktion, die Anstiegsfunktion und die Sinusfunktion. Die häufigste Testfunktion ist die Sprungfunktion. Ändert man die Eingangsfunktion der Strecke (beispielsweise die Stellgröße y) sprunghaft, so reagiert die Regelgröße mit einer charakteristischen Sprungantwort (auch Übergangsfunktion genannt). Das unterschiedliche dynamische Verhalten bildet die Grundlage für eine Systematisierung der unterschiedlichen Streckentypen.


  • P-Glied: eine sprunghafte Änderung der Eingangsgröße xe bewirkt eine sprunghafte Änderung der Ausgangsgröße xa. Das Übertragungsverhalten wird mit dem Proportionalbeiwert KP beschrieben.
  • I-Glied: eine sprunghafte Änderung der Eingangsgröße xe bewirkt eine zeitlich lineare Änderung der Ausgangsgröße xa, die ganz allgemein von einem Anfangszustand xa0 beginnt. Das Übertragungsverhalten wird mit dem Integrierbeiwert KI bzw. der Nachstellzeit TN = KP/KI beschrieben.
  • D-Glied: eine sprunghafte Änderung der Eingangsgröße xe bewirkt einen (theoretisch unendlich) hohen Sprung des Ausgangssignales xa. Das Übertragungsverhalten wird mit dem Differenzierbeiwert KD bzw. der Vorhaltezeit TV = KP*KD beschrieben.
  • PT1-Glied: ein Sprung der Eingangsgröße führt zu einem allmählichen Anstieg der Ausgangsgröße.
  • PT2-Glied: wenn sich das PT2-Glied in zwei PT1-Glieder aufteilen lässt, führt ein Sprung der Eingangsgröße zu einem allmählichen Anstieg der Ausgangsgröße. Wenn sich das PT2-Glied nicht in zwei PT1-Glieder aufteilen lässt, führt ein Sprung der Eingangsgröße zu mehr oder weniger starkem Überschwingen der Ausgangsgröße, bevor sie sich nach entsprechender Abklingzeit einem Endwert nähert.


Die Regelstrecken werden in stabile und instabile Regelstrecken eingeteilt. Bei ersteren wird die Regelstrecke einem Endwert zustreben und bei letzteren wird sie immer weiter ansteigen bzw bei Grenzstabilität oszillieren. Instabile Regelstrecken können jedoch üblicherweise durch einen Regler stabilisiert werden, dies ist die Aufgabe der Regelungstechnik. Zur Verbesserung der Regelgüte bedient man sich verschiedener Regelstrukturen wie zum Beispiel der Kaskadenregelung oder der Störgrößenaufschaltung.


Regelbarkeit. Je mehr Verzögerungsglieder eine Strecke enthält umso später reagiert das Ausgangssignal, die Regelgröße, auf eine Änderung des Eingangssignals. Die Regelbarkeit von Strecken höherer Ordnung wird entscheidend vom Verhältnis Ausgleichszeit Tg zu Verzugszeit Tu bestimmt. Je größer der Zahlenwert dieses Verhältnisses, umso besser ist die Strecke zu regeln. Bei einer Strecke 1. Ordnung ist die Verzugszeit gleich Null und somit das Verhältnis Tg / Tu gleich unendlich, diese Strecke ist tatsächlich leicht und mit einfachen Mitteln zu regeln.

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Tg / Tu Regelbarkeit
> 10 sehr gut
10 .. 5 gut
5 .. 2,5 noch regelbar
2,5 .. 1,25 schlecht
< 1,25 kaum noch