Regeleinrichtung

Mithilfe eines Regelkreises sollte ein Vorgabewert, die Führungsgröße schnell erreicht und danach auch bei einwirkenden Störungen konstant gehalten werden. Dieser Vorgabe- oder Sollwert wird vom Regelkreis nicht beeinflusst. Manchmal muss er erst in eine entsprechende Größe umgewandelt und angepasst werden. Für elektronische Regelkreise ist die Führungsgröße oftmals ein Spannungswert, der durch die Umwandlung eines Sollwerts wie Temperatur, Winkel- oder Wegposition, Drehzahl oder eines Drucks erhalten wird.

Nicht jede Regelstrecke hat einen Ausgleich und strebt von sich aus einen Endwert an, der dann dem gewünschten Sollwert entspricht. Es muss daher ein Vergleich zwischen der Führungsgröße und der Regelgröße erfolgen. Gleichzeitig sind einwirkende Störgrößen zu erfassen, um auch sie auszugleichen. Die Regelgröße, der Ausgangswert der zu regelnden Strecke, muss meistens auch für den Vergleich gewandelt und angepasst werden.

In einem einfachen Regelkreis erhält der Vergleicher mit der Führungsgröße w und der aufbereiteten Regelgröße, der Rückführungsgröße r zwei Eingangssignale. Er bildet daraus die Regeldifferenz e, die den eigentlichen Regler ansteuert. Ein Regelkreis arbeitet stets mit einer Gegenkopplung und muss am Vergleichsglied immer die Differenz zwischen dem aktuellen Soll- und Istwert bilden.

Die Messstelle und die Signalwandlung können mit und ohne Hilfsenergie arbeiten. Bimetall-Thermometer oder mechanische Druck-Messdosen schalten ebenso ohne Hilfsenergie wie die meisten Tachogeneratoren zur Drehzahlerfassung. Meistens arbeiten die Messeinrichtungen mit Hilfsenergie als Signalwandler und Verstärker.

Die elektronischen Regeleinrichtungen nutzen Schaltungen mit Operationsverstärkern (OPV). Die Eingangsgröße ist die Regeldifferenz e und die Ausgangsgröße eine Stellgröße. Die Vergleichsstelle wird von der Eingangsschaltung des OPVs gebildet, der dann aufgrund einer speziellen Außenschaltung das Ausgangssignal yr erzeugt. Sie geht an den Steller, einer Einrichtung, die das Signal für das Stellglied in der Regelstrecke aufbereitet. Es kann sich zum Beispiel um eine mit Thyristoren gesteuerte Gleichrichterbrücke oder Impulsgruppen- oder Schwingungspaketsteuerung handeln. Das speziell aufbereitete Ausgangssignal ist y die eigentliche Stellgröße. Sie ist das Eingangssignal des Stellglieds der Regelstrecke und verändert die Regelgröße x, zum Teil als Istwert bezeichnet.

Der Regler OPV kann als kombinierter Proportional-, Integral- oder Differenzialregler geschaltet sein. Oft erzeugen parallel geschaltete einstellbare OPV Grundschaltungen das notwendige Stellsignal. Stets muss das Regelglied mit seinen Eigenschaften auf die der Regelstrecke abgestimmt sein.

Eine Regelung arbeitet immer mit einer Gegenkopplung und Bildung einer Regeldifferenz.

Solange eine Soll-Istwert-Differenz e besteht, wird eine neue Stellgröße y gebildet. Die auf die Strecke einwirkenden Störgrößen z werden von der Messstelle mit erfasst und im Vergleichsglied zur Regeldifferenz verarbeitet. Der Signalfluss in der Regeleinrichtung geht nur in eine Richtung von der Messstelle zum Vergleicher, dem Regler bis zum Steller. Wie für die Regelstrecke, so kann auch die Regeleinrichtung nach ihrem statischen und dynamischen Verhalten untersucht werden.

Regelverhalten

Statisches Verhalten

Bei der statischen Untersuchung wird der Zusammenhang zwischen der Eingangs- und Ausgangsgröße im Beharrungs- oder Ruhezustand bestimmt. In Analogie zur statischen Bestimmung des Regelstreckenverhaltens wird die Eingangsgröße auf einen neuen konstanten Wert geändert und auf das Erreichen einer bleibenden Ausgangsgröße gewartet. Die Ergebnisse können als Diagramm y = f(e) dargestellt werden.

Dynamisches Verhalten

Bei der dynamischen Untersuchung wird der zeitliche Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen mithilfe der Sprungantwort bestimmt. Bei sehr schnell reagierenden Regeleinrichtungen werden Frequenzkennlinien mit einem sinusförmigen Eingangssignal aufgenommen. Ermittelt wird der zeitliche Verlauf der Ausgangsgröße in Abhängigkeit von der Frequenz. Die Messergebnisse werden als komplexe Übertragungsfunktion dargestellt. Das komplette Ergebnis mit dem Amplituden- und Phasengang wird Bodediagramm genannt und kann durch Ortskurven ergänzt werden.

Unstetige Regelung

Erfasst die Messstelle nur ein Über- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Werts, dann kann die Regeleinrichtung und somit der Regelkreis nur unstetig reagieren. Es handelt sich um Zweipunkt- oder Dreipunktregelungen. Die Temperaturerfassung mit einem Bimetall- oder Quecksilberkontaktthermometer hat eine Schalthysterese. Wird unterhalb eines Temperatursollwerts die Energiezufuhr zu 100% zugeschaltet und beim Erreichen oder Überschreiten der eingestellten Temperatur unterbrochen, so entspricht das einer Zweipunktregelung und ist mit einem Ein-, Ausschalter vergleichbar.

Wird als dritter Messpunkt noch eine Maximal- oder Minimaltemperatur definiert, kann beim Unterschreiten des Grenzwertes eine Heizung zugeschaltet werde. Beim Erreichen des Sollwerts wird sie abgeschaltet. Steigt der Temperaturwert über einen Maximalwert, dann schaltet sich eine Kühlung ein und bleibt aktiv, bis der Maximalwert gerade erreicht oder unterschritten wird. Im mittleren Temperaturbereich sind sowohl die Heizung als auch die Kühlung abgeschaltet. Es ist eine unstetige Dreipunktregelung und entspricht einer (I – 0 – II) Umschaltung mit Ruhestellung.

Unstetige Regelung kann nur auf Regelstrecken mit Zeitverzögerung angewendet werden.

Stetige Regelung

Die Messstelle erzeugt kontinuierlich neue Messwerte. Das Vergleichsglied gibt an den Regler sich stetig ändernde Regeldifferenzen, die mit der Charakteristik des Reglers eine kontinuierliche Nachführung der Stellgröße bewirken. Dieser Regelkreistyp kann besser optimiert werden.