Das Regelungsproblem

Bevor wir Dir verraten, wie ein Regler funktioniert, solltest Du ein paar wichtige Fachbegriffe kennenlernen und die Herausforderung der Regelungstechnik in etwas allgemeinerer Form verstehen. - Nein, ich will gleich wissen, wie der Regler funktioniert!

Der interaktive Signalflussplan unten baut sich nach und nach auf, wenn Du auf "weiter" klickst; Du kannst auch die Pfeiltasten benutzen.

Ganz rechts siehst Du die Regelgröße $y$ — sie ist das Signal, das wir kontrollieren wollen, z.B. die Innentemperatur des Backofens.

???

Strecke

Messglied

Den zugehörigen Sollwert siehst Du links; man bezeichnet ihn auch als Führungsgröße $w$ .

Die Regelgröße entspringt aus der sogenannten Regelstrecke, oder kurz Strecke — das wäre in unserem Beispiel der Backofen selbst.

Die Strecke wird von zwei Signalen beeinflusst: Die Störgröße $z$ haben wir nicht in der Hand; das könnte z.B. die Wärme sein, die aus dem Ofen entweicht, wenn jemand die Tür öffnet, und dadurch zu einem Temperaturverlust führt.

Die Stellgröße $u$ jedoch können wir selbst wählen, um die Strecke in unserem Sinne zu beeinflussen; im Beispiel ist das die Heizung des Ofens, die wir an- oder ausschalten können.

Die Frage ist, wann wir das tun sollen, oder allgemeiner: wie wir die Stellgröße wählen sollen, um den gewünschten Sollwert zu erreichen. Das ist nun die Aufgabe des Reglers, der mit drei ??? markiert ist, denn die große Frage ist, was sich im Inneren dieses Blocks verbirgt.

Klar ist: Damit der Regler eine möglichst gute Entscheidung treffen kann, muss er wissen, wie warm es im Ofen gerade ist. Dazu müssen wir ihm laufend einen Messwert des Regelgröße zur Verfügung stellen, den ein Sensor (oder Messglied) liefert; dieses Signal $y_m$ nennt man auch Rückführgröße.

Wichtige Strukturen von Regelungen

Regelkreis

Wie Du siehst, kommt es hier zu einer wechselseitigen Beeinflussung: Die Aktion des Reglers hat Einfluss auf das Verhalten des Ofens, und dessen Temperatur beeinflusst wiederum den Regler. Man bezeichnet eine solche geschlossene Wirkungskette auch als Regelkreis.

Steuerung

Es gibt aber auch Situationen, in denen man die Regelgröße nicht mihilfe eines Sensors messen kann, oder wo die Messung zu aufwändig wäre. Dann muss der ???-Block ohne eine Rückführgröße auskommen. In diesem Fall handelt es sich nicht um einen Regler, sondern um eine Steuerung, und man spricht dann auch nicht mehr von der Regelgröße, sondern von der Steuergröße.

???

Zwei-Freiheitsgrade-Struktur

Man kann Steuerung und Regler übrigens auch kombinieren. Dann erhält man die sogenannte Zwei-Freiheitsgrade-Struktur. Aber die sehen wir uns zu einem späteren Zeitpunkt an.

Ziele und Nebenbedingungen

Mit der geeigneten Auslegung des ???-Blocks wollen wir folgende Ziele erreichen:

Gutes Führungsverhalten: Die Regelgröße soll der Führungsgröße möglichst schnell und genau folgen.
Stabilität: Dazu muss der geschlossene Regelkreis erst einmal stabil sein, d.h. er darf sich nicht von selbst aufschaukeln.
Störunterdrückung: Störgrößen sollen möglichst wenig Einfluss auf die Regelgröße haben.
Robustheit: Der Regler soll auch dann noch gut funktionieren, wenn sich die Eigenschaften der Regelstrecke ändern, z.B. durch Alterung oder Verschleiß.

Coming soon...

Nebenbedingungen, insb. Stellgrößenbeschränkung

... Schau doch nächste Woche noch einmal vorbei!

Beurteilung der Regelgüte

Um zwei verschiedene Regler zu vergleichen, gibt es Kriterien, mit denen sich die Performance einer Regelung beurteilen lässt. Die wichtigsten Gütekriterien lernst Du im nächsten Abschnitt kennen.