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:
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- 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.
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- In der Regelungstechnik haben sich für diese Komponenten folgende Begriffe eingebürgert.
- Die Reihenfolge korrespondiert mit der obigen:
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- Regelstrecke
- Störgröße
- Stellglied
- Sensor
- Ist-Wert
- Soll-Wert oder Führungsgröße
- Regler
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- Die aufgeführten Komponenten sind in folgender Art und Weise miteinander verschaltet:
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Bild 0-1: Blockschaltbild des Heizreglers.
- Verallgemeinert werden Regelkreise folgendermaßen beschrieben:
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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.
Identifikation der Regelstrecke
- 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.
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Beschränkung auf Lineare Systeme
- 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.
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