Regelstrecken Leitfaden

Eine Regelstrecke ist eine Gruppe miteinander verbundener Komponenten, die eine Konfiguration erzeugen, um in einem geschlossenen System einen vordefinierten Zustand zu erzeugen. Sie ist Bestandteil von Regelkreisen, um das Verhalten der angeschlossenen Geräte zu steuern.

Der Regelkreis ist die wichtigste Komponente der Regelungstechnik und befasst sich mit einem Prozess, der gesteuert und reguliert werden muss (z. B. in der industriellen Fertigung oder Forschung). Er besteht aus mehreren Komponenten; einer, die die Steuerung bestimmt (genannt "Controller"), einer Komponente, die die Steuerung tatsächlich durchführt ("Aktor"), und einer Komponente, die das System überwacht (Feeder, typischerweise in Form von Sensoren). Darüber hinaus wird häufig ein Kompensator zu einem Regelsystem hinzugefügt, um dessen Leistung durch Veränderung der Systemdynamik zu verbessern. Grafisch werden Regelungssysteme durch Blöcke dargestellt.

Als Bestandteil der Regelungstechnik ist die Regelstrecke das entscheidende Element, das Steuer- und Regelungstechnik voneinander unterscheidet: während ein gesteuertes System lediglich vorgegebene Parameter umsetzt, reagiert ein Regelkreis autonom auf sogenannte Störfaktoren. Dabei handelt es sich um Einflüsse, deren Ursprung außerhalb des Systems liegt und deren Auswirkung sich destabilisierend auf die Prozessausgabe niederschlägt.

Der Regelkreis ist im Grunde ein Rückkopplungsmechanismus, der es dem Benutzer ermöglicht, das Verhalten eines Systems in Echtzeit zu steuern und zu regeln. Die gewünschte Eingabe wird an einen Regler gesendet, der die Informationen verarbeitet und eine Ausgabe erzeugt. Diese Ausgabe wird dann mit der gewünschten Eingabe verglichen, und die resultierende Differenz wird verwendet, um das System einzustellen und sicherzustellen, dass die Ausgabe innerhalb der gewünschten Parameter bleibt. Auf diese Weise wird verhindert, dass Sicherungen ausgelöst werden. Dieser Prozess wird ständig wiederholt und bildet eine Rückkopplungsschleife (auch Feedbackschleife genannt), die Stabilität und das gute Funktionieren des Systems gewährleistet.

Ein Regelkreis setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen, wobei die wichtigsten die Sensoren, der Regler und das Stellglied sind. Der Sensor ist für die Erfassung von Informationen aus dem Systemausgang verantwortlich und sendet sie an den Regler, der die Daten verarbeitet und die notwendigen Entscheidungen trifft. Das Stellglied wiederum ist für die Durchführung von Steuerungsmaßnahmen im System auf der Grundlage von Anweisungen des Reglers verantwortlich.

Regelkreise sind in verschiedenen Bereichen weit verbreitet, z. B. in der industriellen Automatisierung, der Robotik, der Prozesssteuerung und in Verkehrsleitsystemen. Sie sind unerlässlich, um die Präzision und Effizienz von Produktionsprozessen in Industrieanlagen zu gewährleisten, während sie in der Robotik zur Steuerung der Bewegung und Position von Robotern eingesetzt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Sicherungssteuerungen bieten sie eine höhere Präzision, Stabilität und Anpassungsfähigkeit an Veränderungen in der Umgebung. Außerdem ermöglichen sie eine vollständige Automatisierung komplexer Prozesse.

Statisches und dynamisches Verhalten einer Regelstrecke

Das statische Verhalten einer Regelstrecke bezieht sich darauf, wie sich die Regelgröße x verändert, wenn der Wert der Größe y geändert wird. Statisch bedeutet in diesem Sinne, dass Werte manipuliert werden können, aber konstant bleiben, ohne von der Zeitvariablen beeinflusst zu werden. Dies steht im Gegensatz zum dynamischen Verhalten von Regelstrecken, bei denen auch der Zeitfaktor der Regelgröße x berücksichtigt wird, nachdem der Wert der Größe y geändert wurde. Dazu wird in einem Regelkreis die Größe y sprunghaft verändert, so dass das resultierende Verhalten der Regelgröße x entlang einer Zeitachse beobachtet werden kann.

Regelstrecken mit Ausgleich

Bei Regelstrecken mit Ausgleich wird für die Regelgröße x ein neuer, konstanter Wert eingestellt, wenn die Stellgröße y geändert wird. Die Änderung der Regelgröße x ist immer proportional zur Änderung der Stellgröße Y. In diesem Sinne kann die Regelstrecken-Kompensation als eine Methode zur Verbesserung der dynamischen Leistung des Systems durch Hinzufügen dynamischer Elemente betrachtet werden, um einige der unerwünschten Eigenschaften der im System vorhandenen Regelelemente abzuschwächen. Zu diesen unerwünschten Eigenschaften können langsames Ansprechen, Sensor- und Prozessverzögerungen, Nichtlinearitäten und andere unerwünschte Eigenschaften gehören.

Regelstrecken ohne Ausgleich

Regelstrecken ohne Ausgleich werden auch als integrale Regelstrecken bezeichnet. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass nach einer Änderung der Stellgröße x kein neuer, konstanter Wert der Regelgröße x definiert wird, sondern die Regelgröße kontinuierlich steigt oder sinkt.

Prüfsignale ermöglichen die Steuerung und Überwachung der Funktionsweise eines Systems. Dabei handelt es sich um elektrische oder elektronische Impulse, die entweder digital oder analog übertragen werden. Steuersignale werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von der Unterhaltungselektronik bis hin zu komplexen industriellen Systemen. Es gibt zwei Haupttypen von Steuersignalen: analoge Signale und digitale Signale. Analoge Signale sind kontinuierliche Signale, deren Amplitude mit der Zeit variiert. Sie werden in Systemen verwendet, die eine sehr hohe Präzision erfordern, wie z. B. in industriellen Prozesssteuerungssystemen. Im Gegensatz dazu sind digitale Signale einfacher, da sie nur einen von zwei Werten annehmen können (0 oder 1). Sie werden als "diskrete Signale" bezeichnet und sind in Geräten der Unterhaltungselektronik und in Computersystemen zu finden, bei denen die Amplitude keine Rolle spielt.

Steuersignale sind unerlässlich, um sicherzustellen, dass elektronische Geräte korrekt funktionieren. Sie werden verwendet, um Informationen zwischen verschiedenen Komponenten eines Systems zu übertragen und sicherzustellen, dass alle Teile synchronisiert sind. Ohne geeignete Steuersignale funktionieren elektronische Geräte möglicherweise nicht richtig oder können sogar beschädigt werden.

Bei der Übertragung von Steuersignalen können verschiedene Probleme auftreten, wie elektromagnetische Störungen oder Signalabschwächungen. Diese Probleme können die Qualität der Steuersignale beeinträchtigen und die Funktion elektronischer Geräte gefährden. Daher ist es wichtig, Maßnahmen zu ergreifen, um diese Probleme zu minimieren und eine effektive Übertragung von Steuersignalen zu gewährleisten.

Die automatisierte Prozesssteuerung ist zu einem integralen Bestandteil der modernen Fertigung und Technik geworden. Um die Vorteile der Automatisierung voll ausschöpfen zu können, müssen industrielle Prozesse vorhersehbar, genau und wiederholbar (reproduzierbar) ablaufen. Steuerungssysteme sind erforderlich, um die gesamte Bandbreite der Prozessvariablen zu überwachen und anzupassen, damit der Prozess so effizient und effektiv wie möglich abläuft. Dazu gehören die Optimierung des Energieverbrauchs und die maximale Reduzierung von Sicherheitsrisiken. In Bezug auf die Qualität bietet der höhere Präzisionsgrad ein gleichmäßiges Ergebnis während des gesamten Produktionszyklus.

Die Steuerung industrieller Prozesse ist für die Gewährleistung von Effizienz und Qualität bei der Herstellung verschiedener Arten von Produkten unerlässlich. Regelkreise sind daher in verschiedenen Industriezweigen weit verbreitet, z. B. bei der Automatisierung von Produktionslinien und bei der Steuerung von Maschinen und Anlagen. In der Lebensmittelindustrie beispielsweise müssen Regelkreise auch die Sicherheit der Produkte gewährleisten und überwachen daher Werte wie die Temperatur bei der Herstellung verderblicher Lebensmittel, die Garzeit oder den Druck in Verarbeitungsanlagen. In ähnlicher Weise können Regelkreise in der chemischen Industrie die Konzentration von chemischen Substanzen überwachen. In der Automobilbranche ist diese Art der Prozesssteuerung unerlässlich, um Qualität und Präzision bei der Fahrzeugherstellung zu gewährleisten. Dazu gehören die Präzisionskontrolle beim Schweißen von Bauteilen, die Überwachung der Lackierung und Trocknung in Produktionslinien, die Qualitätskontrolle bei Haltbarkeits- und Sicherheitstests usw.

Der Einsatz fortschrittlicher Technologien wie Industrieroboter und Bildverarbeitungssysteme trägt zur kontinuierlichen Verbesserung der Prozesse und zur Gewährleistung eines hohen Qualitätsstandards in allen Branchen bei. Die neue Generation von Mikrocontrollern und Entwicklungstools macht die Entwicklung von Steuerungsverfahren einfacher und kostengünstiger.

Eine Kontrollstruktur ist ein Programmblock, der Variablen analysiert und auf der Grundlage vordefinierter Parameter eine Richtung auswählt. Im Regelkreis wird die Eingabe an einen **Controller **gesendet, der die Informationen verarbeitet und eine Ausgabe erzeugt. Diese Ausgabe wird dann mit der gewünschten Eingabe verglichen, und jede Differenz wird verwendet, um das System zu regulieren und sicherzustellen, dass die Ausgabe innerhalb der gewünschten Parameter bleibt.