Grundlagen der Regelungstechnik: Controller und Regler
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Der Fahrer / Controller: System der Kontrolle
Ein System der Kontrolle und Regulierung besteht aus folgenden Elementen: Transduktoren und Sensoren, Komparatoren und Fehlererkennung, Steuerungselemente sowie letzte Elemente oder Aktoren.
Der Controller ist das Gehirn eines Regelkreises. Er ist dafür verantwortlich, eine physikalische Größe mit dem gewünschten Wert zu vergleichen, um Abweichungen zu interpretieren und den Fehler zu korrigieren. Solange die zu kontrollierende Variable den erwarteten Wert beibehält, greift der Controller nicht auf die Endelemente ein. Weicht die Regelgröße vom eingestellten Wert ab, ändert der Regler das Signal an die Handlungselemente, um die Abweichung zu korrigieren, bis die Regelgröße wieder den Standardwert erreicht.
Ein Großteil der Regler erzeugt das Steuersignal durch eine Verarbeitung der Regeldifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem Ausgangssignal. Diese Behandlung beinhaltet die Verstärkung des Fehlers, seine zeitliche Ableitung oder Integration, was zu bestimmten Aktionen führt: Proportional, Integral und Differential. Die Regler nutzen eine dieser Aktionen oder Kombinationen daraus.
Die proportionale Aktion (P-Regler)
Bei der Proportionalsteuerung wird bei einer Abweichung zwischen Soll- und Ist-Wert das Endelement proportional zur Fehlergröße angepasst. Ist der Fehler klein, verursacht der Controller eine kleine Änderung am Ausgang. Ist das Fehlersignal groß, produziert er eine große Änderung am Ausgang. Die Übertragungsfunktion eines proportionalen Reglers lautet: G(s) = Kp. Dies führt zu einer permanenten Abweichung, dem sogenannten OFFSET.
Die integrierte Controller-Aktion (I-Regler)
Das Ausgangssignal schwankt in Abhängigkeit von der Abweichung und der Zeit. Bei integrierten Maßnahmen wird die Ausgabe kontinuierlich geändert, solange eine Abweichung besteht. In der Praxis gibt es keine Regler, die nur eine Integralaktion besitzen, sondern sie werden meist mit einer Proportionalaktion kombiniert (PI-Regler).
- Proportional-Anteil: Wirkt sofort.
- Integral-Anteil: Wirkt über einen längeren Zeitraum.
Durch diese Kombination wird der bleibende Fehler (OFFSET) des reinen P-Reglers eliminiert. Die Übertragungsfunktion eines Reglers mit integraler Aktion lautet: G(s) = Kp (1 + 1 / Ti * s).
Die differenzielle Aktion (D-Regler)
Bei diesem Controller ändert sich die Ausgabe proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des Fehlers: Sd = Td * dM / dt. Die derivative Aktion ist proportional zur Geschwindigkeit der Abweichung. Da die integrale Aktion nicht allein verwendet werden kann, ist sie immer mit einer proportionalen Maßnahme verbunden (PD- oder PID-Regler). Die Übertragungsfunktion eines differenziellen Controllers lautet: G(s) = Kp (1 + s * Td). Es gibt zudem eine proaktive Wirkung, die eine Kontrollaktion einleitet, um ein Überschreiten des Fehlers zu vermeiden, bevor es auftritt.