STAHN electronics GmbH - Fundamentals - Fundamental terms of Control- und Feedback Control- Technics

Unterscheidung Steuerungs-/ Regelungstechnik

Die Steuerungs- und Regelungstechnik sind Teilgebiete, die sich beide mit der optimalen Kontrolle von Maschinen, Anlagen und technischen Prozessen beschäftigen. Sie geben Methoden an die Hand, um das gewünschte Sollverhalten bei technischen Prozessen einzustellen und speziell bei der Regelungstechnik, dieses auch bei Beeinflussung durch Störgrössen beizubehalten.

Steuerungstechnik:

Bietet Methoden, um den Ablauf technischer Prozesse zu steuern, z.B. Aufzugssteuerung, Ampelsteuerung, etc.

D.h. der Steuerungstechniker beschäftigt sich mit der Logik des Ablaufes von technischen Prozessen. Dabei spielen binäre Signale und diskrete Prozesszustände eine Rolle. Die mathematischen Werkzeuge der Steuerungstechnik sind die der Boolschen Algebra oder der Automatentheorie.

Steuerung:

Steuerung bedeutet die Übertragung eines Sollwertes, welcher auch Führungsgrösse genannt wird, mittels eines sogenannten Stellgliedes auf den Prozess. Das vom Stellglied auf den Prozess einwirkende Signal wird auch Stellgrösse genannt. Das im Prozess wirkende Signal wird Regelgrösse genannt.

Steuerung schematisch

Die Steuerung ist ein Vorgang in einem abgegrenzten System, bei dem eine oder mehrere Grössen als Eingangsgrössen andere Grössen als Ausgangsgrössen aufgrund der dem System eigenen Gesetzmässigkeiten beeinflussen. Bei der Steuerung gibt es keine Rückkopplung der Regelgrösse über ein Messglied mit dem Stellglied. Somit gibt es auch keine Korrekturmöglichkeiten der Stellgrösse. Störungen führen damit zu Abweichungen.

Regelungstechnik:

Bietet Methoden, um den Arbeitspunkt technischer Prozesse einzustellen und einzuhalten, z.B. Drehzahlregelung des Aufzugsmotors, Regelung der Raumtemperatur.

D.h. der Regelungstechniker beschäftigt sich mit der Einstellung und Einhaltung von Arbeitspunkten der technischen Prozesse. Die mathematischen Werkzeuge sind die der Differential- und Integralrechnung, linearen Algebra, etc.

Regelung:

Im Gegensatz zur Steuerung besteht bei der Regelung eine Rückkopplung. Die Regelung ist ein technischer Vorgang in einem abgegrenzten System, bei dem eine technische oder physikalische Grösse, die sogenannte Regelgrösse oder der Istwert, fortlaufend erfasst und durch Vergleich ihres Signals mit dem Signal einer anderen von aussen vorgegebenen Grösse, der Führungsgrösse oder dem Sollwert, im Sinne einer Angleichung an die Führungsgrösse beeinflusst wird.

Regelung schematisch

Die Regelgrösse wird durch in der Regelstrecke auftretende Störungen beeinflusst. Die von Messgliedern gemessene Regelgrösse wird mit der Führungsgrösse verglichen (Soll- Istwert Vergleich) Das Ergebnis ist die Regeldifferenz, welche die Eingangsgrösse des Reglers bildet. Der Regler bildet aus der Regeldifferenz das Reglersignal und steuert das Stellglied. Das Stellglied setzt das Reglersignal um, und wirkt auf die Strecke (Prozess) ein, mit dem Ziel den Istwert dem Sollwert anzugleichen.

Prozess und Modell

Um einen Prozess zu kontrollieren, muss die Funktionsweise des Prozesses bekannt sein. Zur Erklärung der Funktionsweise werden Beschreibungsformen benutzt, mit denen das Verhalten des Prozesses hinreichend genau dargestellt werden kann. Das sind Modelle der Realität.

Modell = Abbildung des Originals

Ausprägung von Modellen

Die Modellarten können sehr unterschiedlich sein, ein bekanntes Beispiel ist das Modellhaus eines Architekten. In gleicher Weise könnten Modelle von technischen Prozessen angefertigt werden, die in einem kleineren Massstab aufgebaut werden und an denen das Prozessverhalten getestet werden könnte.

Eine wesentlich kostengünstigere Methode ist die Aufstellung eines mathematischen Modells eines Prozesses. Diese Modellart hat den Vorteil, dass sie auf Computern berechnet werden kann und ein Modell für verschiedene Prozesse mit gleicher Charakteristik wieder benutzt werden kann.

Eine der wichtigsten Aufgaben in der Steuerungs- und Regelungstechnik besteht darin, ein hinreichend genaues Modell von dem zu führenden technischen Prozesses zu erhalten, um die Prozessreaktion berechnen zu können und damit gezielt auf den Prozess einwirken zu können.

System

Definition System = Anordnung von Objekten, die in dem gerade betrachteten Zusammenhang eine Funktionseinheit bilden.

Zum Beispiel:

Anordnung von Produktionsanlagen >>>Produktionssystem

Anordnung von mehreren DV-Komponenten >>> Rechnersystem

Bildung des Systems

Abgrenzung gegen die Umwelt durch Bildung Hüllfläche
Festlegung der interessierenden Ein / Ausgangsgrössen
Darstellung des Systems durch übertragungsglied (Black Box)

Die Anordnung besitzt gegenüber der Umwelt eine Hüllfläche als Abgrenzung. Das System steht über Verbindungen in Kontakt mit seiner Umgebung, es können Eingansgrössen in das System eingehen, das System gibt Ausgangsgrössen an die Umwelt heraus. Das so abgegrenzte System wird als Rechteck dargestellt und mit seinen Eingangs- und Ausgangsgrössen versehen. Die Funktion, nach der aus der Eingangsgrösse die Ausgangsgrösse entsteht, wird Übertragungsfunktion genannt.

Beispiel Ofenheizung

Nehmen wir an an, wir würden einen Ofenraum durch eine Heizwicklung auf eine gewünschte Temperatur bringen. Die Einstellung erfolgt durch die Spannung eines Potentiometers. Dieses System kann durch das übertragungsglied im linken Teil des folgenden Bildes beschrieben werden:

System und Uebertragungsglied

Dabei sind die Grössen u (in V) und T (in °C) mit Einheiten versehen , f(u) ist die übertragungsfunktion. Da in diesem System aus der Eingangsgrösse Spannung die Ausgangsgrösse Temperatur wird, ist die Übertragungsfunktion, die die Umsetzung beschreibt, mit einer Einheit versehen und hat damit den Charakter einer physikalischen Grösse.

Wenn beispielsweise ein linearer Zusammenhang zwischen der Spannung und der Temperatur gilt, d.h. T = K u und sich bei u₁ = 5V eine Temperatur von T₁= 50°C einstellt, dann ergibt sich K = T₁/u₁ = 10 °C/V, also eine mit Einheiten versehene Übertragungsfunktion.

Normierung von Ein- und Ausgangsgrössen

Dies kann in vielen Fällen zu umständlichen Rechnungen führen, weshalb es häufig sinnvoll ist, die Ein- und Ausgangsgrössen auf Normierungswerte zu beziehen. Dadurch werden die Einheiten eliminiert, die Zahlenwerte der normierten Gleichungen bewegen sich je nach Normierungsgrösse im Wertebereich 0 bis 1 oder 0 bis 10 und werden übersichtlicher.

Häufig verwendet man als Normwerte Maximalwerte oder Nennwerte oder Bereichsgrenzen von Mess- oder Einstellbereichen. Wird in dem Beispiel des Glühofens bei der maximalen Spannung u_max die maximale Temperatur T_max erreicht, dann kann folgendermassen normiert werden:

Eingangsgrösse X_e = u⁄u_max und die Ausgangsgrösse x_a = T⁄T_max

Im obigen Fall soll die maximale Spannung u_max = 10V sein und der maximale Temperaturwert T_max =100°C. Dann ergeben sich die normierten Grössen zu

Eingangsgrösse X_e = u/u_max = u / 10V und die Ausgangsgrösse X_a = T/T_max = T / 100°C

Auf beiden Seiten der Gleichung jeweils durch die Maximalwerte dividieren

T = K · u >> T / T_max = K u_max / T_max u / u_max >> x_a = K* · x_e

mit K* = K u_max / T_max = 10 °C / V 10V / 100°C = 1

In dem Arbeitspunkt u₀ = 5V und T₀= 50°C haben die normierten Grössen den Wert x_e = 0,5 und x_a = 0,5.

Blockschaltbilder

Bei der Darstellung von Regelkreisen werden die einzelnen Komponenten des realen Regelkreises mit Hilfe von Blöcken dargestellt. Wenn es für die Untersuchung hilfreich ist, werden auch mehrere Komponenten zu einem Block zusammengefasst. Dem Block wird ein (oder mehrere) Eingangssignale und ein (oder mehrere) Ausgangssignale zugeordnet. Der Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsgrösse wird durch eine mathematische Funktion beschrieben, die dem realen Verhalten hinreichend nahe kommt. Häufig sind die Ein- und Ausgangsgrössen auf Maximalwerte normiert, so dass sie dimensionslose Grössen darstellen. Folgende Elemente werden in Blockschaltbildern verwendet:

Allgemein wird eine Eingangsgrösse mit x_e und eine Ausgangsgrösse mit x_a bezeichnet. Im Standardregelkreis haben die einzelnen Grössen dann festgelegte Buchstaben.

Information, Grösse, Signal

Das Prozessverhalten kann nur beschrieben werden, wenn bekannt ist, an welchen Grössen der aktuelle Prozesszustand abgelesen werden kann. In der Definition des Prozessbegriffs wurden diese Grössen als Zustandsgrössen bezeichnet. Diese Grössen müssen erfasst und weiter verarbeitet werden. In diesem Zusammenhang spielen die Begriffe Grösse, Signal und Information eine Rolle und sollen näher erläutert werden.

Grösse = zeitveränderliche Ein- oder Ausgangsgrössen von Systemen, Prozessen etc. z.B. Temperatur, Druck, Menge, Füllstand, Entfernung, Feuchte, Kraft, etc.

Hat ein System mehrere Eingangsgrössen, so können diese zu einem Eingangsvektor zusammengefasst werden.

Signal = Wert einer Prozessgrösse, dargestellt durch eine andere Grösse z.B. eine Spannung oder einen Strom.

Um Informationen über Prozessgrössen in einem Automatisierungssystem nutzen zu können, müssen für diese Grössen Ersatzgrössen gebildet werden, die in einem Automatisierungssystem (SPS, PC-System, Regler etc.) verarbeitet werden können.

In der Regel werden bei der messtechnische Ermittlung der Prozessgrössen diese in elektrische Signale umgewandelt.

Information = Mitteilung, Nachricht oder Angabe über den Wert einer Grösse. Sie ist zielgerichtet und für den Empfänger verständlich.

Im Rahmen der Automatisierungstechnik beziehen sich die Informationen speziell auf die Grössen der Prozesse.

Der momentane Wert einer Grösse wird angegeben durch seinen Zahlenwert und eine Einheit. Dieser Wert ist damit eine Information über die Grösse und kann in einem Rechnersystem weiter verarbeitet werden.

Dabei kann zwischen der Prozessgrösse und dem Signal ein linearer oder auch nichtlinearer Zusammenhang bestehen. Das folgende Bild zeigt die messtechnische Erfassung einer physikalischen Grösse und die Schritte bei der Umwandlung in eine Information.

Signale und Information

Unterscheidung von Signalen nach den Kriterien: Wert und zeitliches Auftreten

Analoges kontinuierliches Signal (Analogsignal)zeit- und wertkontinuierlich

begrenzter Wertebereich z.B. 0 -10V
kontinuierlicher Wertebereich, im Wertebereich ist jeder Wert möglich
kontinuierlich über der Zeit, d.h. kann sich zu jedem Zeitpunkt ändern
typischerweise als Ausgangssignal vieler Messfühler zu finden.

Diskretes diskontinuierliches Signal (Digitalsignal) wertdiskret, zeitdiskret

begrenzter Wertebereich
nur bestimmte Werte möglich, es ist quantisiert
Werte können sich nur zu bestimmten Zeitpunkten ändern z.B. Zahlenfolgen im Digitalrechner