Grundlagen der Regelungstechnik: Systeme, Techniken und Regler

Regelungssystem (Control System)

Ein Regelungssystem ist eine rationale und systematische Reihe von Einrichtungen und menschlichen Eingriffen, die den Betrieb eines gesteuerten Systems ermöglicht. Es dient dazu, den Einfluss von Störungen zu beseitigen, die Stabilität des Prozesses zu gewährleisten und den Prozess zu optimieren.

Regelungstechniken

Grundlegende Automatische Regelung (Rückkopplung/Closed-Loop)

Diese Kontrollmechanismen basieren auf dem Feedback-Prinzip (Rückkopplung oder Closed-Loop). Zu den grundlegenden Regelungsarten gehören:

• Proportional-Differential (PD): Wird nicht nur allein verwendet.
• Integral (I): Wird nicht allein verwendet.
• Gemischte Regelungen: PI, PD, PID.
• Schaltregelungen: Alles-oder-Nichts (Zweipunktregelung), Schwebend (Floating Control).
• Weitere: Proportional in der Zeit, etc.

Erweiterte Regelstrategien

Erweiterte Regelungen basieren auf komplexeren Strategien. Obwohl analoge Instrumente für die Implementierung verwendet werden können, erfordern sie oft eine qualifizierte digitale Informationsverarbeitung. Bei erweiterten Regelungen wird eine höhere Stabilität erreicht und die Regelkreise sind komplexer. Zu den Techniken gehören:

• Kaskadenregelung
• Selektive Regelung
• Vorwärtskopplung (Feed-Forward)
• Verhältnisregelung
• Und andere.

Regler (Controller)

Klassische Analogregler

Der klassische Regler besteht aus einem Analog-Komparator und dem eigentlichen Regler. Er verfügt über analoge Ein- und Ausgänge (pneumatisch oder elektrisch).

Der Komparator empfängt zwei Signale: den Sollwert und den Messwert der Variablen. Daraus resultiert ein analoges Fehlersignal. Dieses Fehlersignal wird an den Regler weitergeleitet, der eine Antwort proportional zum Fehler erzeugt – durch Integration oder Staffelung der Lösungen (Ausgangssignale) – und auf das letzte Element des Regelkreises einwirkt. Auf dem Markt zeigen Analogregler typischerweise eine Skala von 0 bis 100 an, auf der der Sollwert und der aktuelle Messwert des Systems eingestellt werden.

Digitale Steuerungen (Mikroprozessor-Steuerung)

Digitale Steuerungen werden als Mikroprozessor-Steuerungen bezeichnet. Die Signalverarbeitung am Eingang und Ausgang ist vollständig digital. Manchmal ist die Verbindung von analogen und digitalen Komponenten notwendig, wofür Analog-Digital-Wandler (für den Eingang) und Digital-Analog-Wandler (für den Ausgang) verwendet werden.

Der Vorteil digitaler Regler liegt darin, dass die Regelungsmaßnahmen durch in der Software enthaltene Formeln durchgeführt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass viele unabhängige Prozesse über einen Multiplexer gesteuert werden können. Die digitale Steuerung bietet generell eine höhere Genauigkeit.

Merkmale eines Digitalen Reglers

Ein digitaler Regler umfasst typischerweise:

• Einen Umschalter, um ihn in den manuellen oder automatischen Modus zu versetzen.
• Einen Typ-Selektor für die inverse oder direkte Aktion.
• Die Fähigkeit zur Programmierung des Regelalgorithmus.

Die digitale Steuerung verbindet den Mikroprozessor, den Hauptspeicher und die Peripheriegeräte über den Datenbus, den Adressbus und den Steuerbus.

Verzögerung (Totzeit)

Die Verzögerung (Retardo) ist die Zeit, die das System benötigt, um die notwendige Reaktion auf eine Änderung im Prozess zu geben, da die Antwort nicht unmittelbar erfolgt. Es ist der einfachste Weg, ein Signal vom Regler zu steuern und zu senden oder nicht zu senden, um den Prozess zu regeln oder nicht zu berücksichtigen, ob er fehlerfrei ist oder nicht.

In einem chemischen Prozess führt eine Schwingung in der Regelung dazu, dass das letzte Element auf das Öffnen oder Schließen des Prozesses reagiert, da dieses System entwickelt wurde, um die Variable zu steuern (oder umgekehrt). Mit diesem Regler wird eine kleine Änderung geregelt, die eine Leistung auf das letzte Element gibt.

Alles-oder-Nichts-Regelung (Zweipunktregler)

Diese Art von Regler funktioniert zufriedenstellend, wenn der Prozess eine langsame Reaktionsgeschwindigkeit und eine minimale Verzögerungszeit aufweist. Es handelt sich um einen Regler, der in zwei Schritten (Ein/Aus) arbeitet, um beispielsweise den Stromfluss zu erlauben oder zu unterbinden.

Schwebende Regelung (Floating Control)

Die schwebende Regelung ist eine Variante des Alles-oder-Nichts-Reglers. Es ist ein Regler mit konstanter Geschwindigkeit, der das Bedienelement in einem eindeutigen Satz bewegt, unabhängig von der Abweichung.

Der Vorteil ist, dass er Lastwechsel allmählich kompensiert, indem er den Prozess der Verschiebung der Ventilstellung verlangsamt. Der Nachteil ist, dass er bei Verzögerungen oder schnellen Lastwechseln nicht geeignet ist. Diese Form der Regelung neigt dazu, Schwingungen in der Regelgröße zu verursachen, die jedoch durch die richtige Wahl der Geschwindigkeit des Ventils in Bezug auf die Prozesseigenschaften kompensiert werden können.