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© Guido Kramann

Erläuterung der Grundelemente eines Regelkreises am Beispiel eines Heizregelsystems

Das wohl allgemein geläufigste Regelsystem ist wohl die Temperaturregelung einer Heizung.
Bei einer einfachen elektrischen Raumheizung in Form eines Heizstrahlers besteht das Gesamtsystem aus folgenden Elementen:

Zu heizender Raum.
Fenster, das bei Öffnung Außenluft hineinläßt.
Relais zum Ein- und Ausschalten der Heizwendel und die angeschlossene Heizwendel.
Temperaturmeßfühler zum Erfassen der Raumtemperatur.
Aktuelle Raumtemperatur.
Einstellrad für die gewünschte Raumtemperatur.
Signalwandler, um aus der Differenz zwischen Soll- und Isttemperatur eine Ansteuerung für das Relais zu erzeugen.

In der Regelungstechnik haben sich für diese Komponenten folgende Begriffe eingebürgert.
Die Reihenfolge korrespondiert mit der obigen:

Die aufgeführten Komponenten sind in folgender Art und Weise miteinander verschaltet:

Bild 0-1: Blockschaltbild des Heizreglers.

Bild 0-2: Blockschaltbild eines Regelkreises.

Symbol	Beschreibung	Beispiel Heizregelkreis
Regelstrecke	zu beeinflussendes System	zu heizender Raum
Regler	Umsetzer einer Regeldifferenz e=w-y in ein Stellsignal	Relais mit Heizwendel
y	Regelgröße, d.h. zu regelnde Größe / Ausgangswert / Ist-Wert	Raumtemperatur
u	Stellgröße, d.h. Größe mit der Einfluß auf die Regelstrecke ausgeübt wird	Wärmezufuhr dq/dt [J/s], alternativ: die Heizspasnnung u [V]
w	Führungsgröße / Sollwert	Einstellrad für die gewünschte Raumtemperatur
z	Störgröße, d.h. unvorhersehbarer Einfluß auf die Regelstrecke, der die Regelgröße verstellt	Fenster, das bei Öffnung Außenluft hineinläßt

Tabelle 0-1: Grundelemente eines Regelkreises.

Die Leistung der Kybernetik besteht u.a. darin, eine Klassifizierung von Regelstrecken vorgenommen zu haben, die unabhängig von den physikalischen Größen ist, in denen sich das charakterisierte Verhalten abbildet.
Dies erlaubt es in vielen Fällen, darauf verzichten zu können, erst eine aufwändige Modellierung der Regelstrecke vornehmen zu müssen, bevor man berechnen kann, wie diese sinnvoll geregelt werden kann.
Statt dessen wird die Reaktion der Regelstrecke bei Beaufschlagung mit einem klar definierten Eingangssignal untersucht.
Die erwähnte Klassifizierung der Regelstrecken erfolgt anhand dieser Reaktionen.
Eine wichtige Kathegorisierung dieser Art ist die Sprungantwort.
Hierbei wird am Eingang ein Nullpegel gegeben, der ab einem bestimmten Zeitpunkt sprunghaft auf einen konstanten Wert geht und dort bleibt.

Einschränkend sei hier schon erwähnt, dass diese Klassifizierungen von Regelstrecken nur für solche Systeme erfolgt ist, die sich hinreichend gut mit Hilfe Linearer Differentialgleichungen beschreiben lassen.
Für nicht lineare Strecken ist die Theorie der Regelungstechnik lückenhaft.
Für das Heizelement und den zu heizenden Raum kann man mit gutem Gewissen lineare Modelle zur Beschreibung verwenden.
In Form des Reglers, der das Heizelement lediglich ein- oder ausschalten kann, hat man ganz klar ein nichtlineares Element vor sich.