SPS Programmierung

Regelungstechnik

 

In technischen Systemen möchte man häufig eine vorgegebene technische Größe in einem gewissen Bereich konstant halten, obwohl von außen Störungen einwirken. Diese Aufgaben können mit Steuerungen oder Regelungen gelöst werden. 

 

Definition Regelung nach DIN 19 226

Unter einer Regelung versteht man einen Vorgang, bei dem eine technische Größe, die Regelgröße, fortlaufend gemessen wird und mit einer anderen technischen Größe, der Führungsgröße, verglichen wird. Mit dem Vergleichsergebnis wird die Regelgröße so beeinflusst, dass sich die Regelgröße der Führungsgröße angleicht. Kennzeichen für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf, bei dem die Regelgröße im Wirkungsweg des Regelkreises fortlaufend sich selbst beeinflusst."

 

Einfacher Regelkreis

 

 

 

 

 

 

Abbildung 1 zeigt einen einfachen Regelkreis. Geregelt wird die Regelgröße x, deren zeitlicher Verlauf vom Regler beeinflusst wird. Der aktuelle Wert, die Regelgröße x, wird mit der vorgegebenen Führungsgröße w verglichen. Durch Differenzbildung zwischen Führungsgröße w und dem aktuellen Wert x erhält man die Regelabweichung e. Die Regelabweichung e dient dem Regler als Eingangssignal, welches nach einem Regleralgorithmus in das Ausgangssignal, die Stellgröße y überführt wird. Die Stellgröße wirkt auf die Regelstrecke ein und verursacht eine Änderung der Regelgröße x. Eine von außen auf die Regelstrecke einwirkende Störgröße z verursacht eine Änderung der Regelgröße x, die kompensiert werden muss.

 

 

Vergleich Steuerung vs. Regelung

Bei der Regelung handelt es sich um einen geschlossenen Wirkungsweg, bei der Steuerung dagegen um einen offenen. Bei der Regelung wird die zu regelnde Größe ständig gemessen und verglichen. Bei der Steuerung finden keine Vergleiche statt. Die Regelung hat den großen Vorteil, dass dabei alle auf das System einwirkenden Störungen in das zu regelnde System eingehen. Die Steuerung reagiert nur auf Störungen, die bekannt sind und in der Steuerung verarbeitet werden. Steuerungen reagieren schnell auf Störungen, da diese nicht erst verarbeitet werden müssen. Bei instabilen Systemen müssen Regler eingesetzt werden.

 

 

Stellglied

Der Regler steuert über Stellglieder die Regelstrecke. Stellglieder können sein Ventile, Heizungen, Motoren. Die Stellgröße wird in einem Bereich von 0 bis 100 Prozent angegeben.Der Regler liefert meist nicht direkt den Stellgrad für die Regelstrecke, sondern steuert  ein Stellglied. Das Stellglied liefert nun proportional zum Steuersignal des Reglers die Energie für den Prozess.

 

 

Regelstrecke

Als Regelstrecke bezeichnet man in der Regelungstechnik das Verhalten physikalischer Prozessgrößen einer Anlage oder einzelner Geräte, das durch eine Regeleinrichtung beeinflusst wird. Für die optimale Regelung muss das Verhalten der Regelstrecke möglichst gut bekannt sein. In der Regelungstechnik wird eine zu regelnde Strecke in erster Linie durch ihr Zeitverhalten charakterisiert. Das Zeitverhalten bestimmt, mit welchem Aufwand und wie gut sich eine regelungstechnische Aufgabe lösen lässt.  Das Ermitteln aussagekräftiger Parameter zur Beschreibung einer Regelstrecke kann experimentell oder durch mathematische Modelle erfolgen.

 

 

Strecken mit Ausgleich

Bei Strecken ohne Integralanteil besteht die Möglichkeit, mit Hilfe der Größen Verzugszeit Tu und Ausgleichszeit Tg die Regelbarkeit abzuschätzen. Dazu nimmt man vereinfachend an, dass das Streckenverhalten durch eine Totzeit und eine Verzögerung hinreichend genau beschrieben wird. Tu und Tg lassen sich am besten grafisch mit Hilfe einer Messreihe ermitteln. Dazu bestimmt man beim offenen Regelkreis das Streckenverhalten nach kleinen Stellgrößensprüngen. Bei nichtlinearen Strecken muss diese Messung an verschiedenen Arbeitspunkten durchgeführt werden. Das aus den Messkurven ermittelte Verhältnis von Tg zu Tu gibt Auskunft darüber, welches Regelverhalten zu erwarten ist.

 

 

Strecken ohne Ausgleich

Strecken ohne Ausgleich erfordern zwingend eine Regelung, denn die Stellgröße des Reglers muss zurückgenommen bzw. Null werden, sobald die Regelgröße den geforderten Gleichgewichtszustand erreicht hat. Nur mit der Rückführung des geschlossenen Wirkungskreises erreicht man dies zum richtigen Zeitpunkt und im rechten Maß. Die Praxis zeigt, dass sich Strecken ohne Ausgleich häufig schwieriger regeln lassen, da sie zum Schwingen bzw. zu Instabilitäten neigen.

 

Kennlinien der Regelstrecke

Dabei muss das Stabilitätsverhalten des Regelkreises beachtet werden, da die zu regelnde Größe nie genau mit dem vorgegebenen Sollwert übereinstimmt, sondern mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude um diesen schwingt. Ursache für dieses Schwingungsverhalten liegt in der Verzögerung der Signale im Regelkreis. Diese Verzögerung in der Signalweiterleitung wird durch die Totzeit oder aber durch die Verzögerungszeit der Regelstrecke hervorgerufen.

 

Um eine Regelstrecke zu untersuchen wird ihr Übertragungsverhalten untersucht. Bei eine sprunghaften Änderung der Führungsgröße wird der zeitliche Verlauf der Sprungantwort aufgezeichnet.

(dynamische Kennlinie)

 

Nach dem Erreichen des Sollwertes bleibt das System nicht unbedingt sofort in einem stabilen Zustand. Oft schießt die Regelgröße über das Ziel hinaus, und es muss eine Ansteuerung in die entgegengesetzte Richtung erfolgen (Überschwingen).

 

Je nachdem, welcher zeitliche Verlauf sich einstellt, unterteilt man die Regelstrecken in:

 

• P-Regelstrecken

• I-Regelstrecken

• Strecken mit Totzeit und

• Strecken mit Energiespeichern