Mechatronik 2

2 Regelungstechnik (S. 73-74)

2.1 Grundbegriffe der Regelungstechnik

Eine Regelung hat die Aufgabe, eine zu regelnde Größe gegen den Einfluss von Störgrößen an einen gewünschten Wert anzugleichen. Im Beispiel der Drehzahlregelung von Bild 2.1 soll die Drehzahl n an die Wunsch- oder Solldrehzahl nw gegen den störenden Einfluss des Lastmomentes ML angeglichen werden. Dazu wird die Wunsch- oder Solldrehzahl nw (Führungsgröße w) über ein Potentiometer als Sollwertsignal uw vorgegeben. Die zu regelnde Motordrehzahl n (Regelgröße x) wird mit dem Tachogenerator als Tachospannung uT gemessen und dem Regelverstärker zugeführt.

Dieser bildet als Differenzverstärker die Differenz ud= uw–uT und damit den Regelfehler nd=nw–n (Regeldifferenz e= w–x). Abhängig von der Regeldifferenz ud erzeugt der Regelverstärker die Motorspannung uM (Stellgröße y) zur Steuerung der Motordrehzahl n im Sinne einer Reduzierung der Regeldifferenz und damit einer Angleichung der Drehzahl n an den Sollwert nw. Entsprechend dem in Bild 2.2 dargestellten Wirkungsschema stellt eine Regelung, wegen der Rückführung der Ausgangsgröße x auf die Eingangsseite, einen geschlossenen Wirkungskreis oder Regelkreis dar. Damit kann eine Regelung dem Einfluss einer Störung entgegenwirken. Im Gegensatz dazu liegt bei einer Steuerung nach Bild 2.2 ein offener Wirkungsfluss vor, weshalb sie auf den Einfluss einer Störung nicht reagieren kann.

Größen und Glieder eines Regelkreises nach DIN 19226

Das Wirkungsschema in Bild 2.2 zeigt die Glieder und Größen eines Regelkreises in geräteunabhängiger Form. Die zu regelnde Größe wird als Regelgröße x oder Istwert bezeichnet. Sie ist die Ausgangsgröße des Regelkreises und gibt diesem normalerweise den Namen (z.B. Dreh zahlregelung). Die Führungsgröße w ist eine dem Regelkreis von außen zugeführte Größe, der die Regelgröße in vorgeschriebener Abhängigkeit folgen soll. Eine konstante Führungsgröße wird auch als Sollwert bezeichnet.

Die Regeldifferenz xd oder der Regelfehler e ist die Differenz e=w–x zwischen Führungs- und Regelgröße. Mit der Stellgröße y (z.B. die Motorspannung) steuert die Regeleinrichtung über ein Stellglied einen Energie- oder Massenfluss zur Erzeugung der Regelgröße. Die Störgröße z (z.B. Lastmoment) beeinflusst im Bereich der Regelstrecke von außen in unerwünschter Weise die Regelgröße x. Der Angriffspunkt der Störgröße wird als Störort bezeichnet.

Der Regelkreis wird in Regeleinrichtung und Regelstrecke gegliedert. Die Regelstrecke ist derjenige Teil des Regelkreises, in dem die Stellgröße y mit einem entsprechenden Energie- oder Massenfluss die Regelgröße x erzeugt. Bei der Drehzahlregelung ist dies der Motor. Die Regeleinrichtung hat die gewünschte Regelwirkung zu erzeugen. Dazu enthält sie gemäß Bild 2.3 Glieder für folgende Aufgaben:

- Messung der Regelgröße x über das Mess- oder Umformglied 2,
- Vergleich der Regelgröße x mit der Führungsgröße w durch Bilden der Regeldifferenz e=w–x,
- Bilden der Stellgröße y aus der Regeldifferenz e.

Daneben können weitere Glieder auftreten:

- Übertragungsglied zum Erzeugen eines bestimmten Zeitverhaltens des Reglers,
- Verstärker zur Verstellung des Stellgliedes,
- Je nach Vereinbarung das Stellglied selbst.

Häufig wird die Regeleinrichtung selbst oder der Vergleicher mit dem Übertragungsglied kurz als Regler bezeichnet.

Regelungsarten

Eine Festwertregelung arbeitet mit einer zeitlich konstanten, eine Folgeregelung mit einer zeitlich variablen Führungsgröße w. Für eine Regelungsaufgabe ist der Regler abhängig von den Eigenschaften der Regelstrecke so zu entwerfen, dass die Regelgröße möglichst gut und schnell an die Führungsgröße angeglichen bzw. ihr nachgeführt wird.

Das Regelverhalten eines Regelkreises beschreibt die Abhängigkeit der Regelgröße sowohl von der Führungs- als auch der Störgröße. Das Führungsverhalten kennzeichnet den Einfluss der Führungsgröße und das Störverhalten den Einfluss der Störgröße auf die Regelgröße.