Entwurf von Regelsystemen, Sommersemester 2011

Diese Vorlesung soll Ihnen das praktische Handwerkszeug liefern, um Regelkreise in technischen Systemen zu realisieren und sinnvoll auszulegen.

Prüfungsform

Die Prüfung findet Semester begleitend an drei weiter unten ausgewiesenen Terminen in elektronischer Form statt.
Jede Teilprüfung hat eine Dauer von 30 Minuten und zählt ein drittel für die Gesamtnote.
Der Mittelwert der Noten aus allen Teilprüfungen ergibt dann die Endnote.
Vor Teilnahme an den Prüfungen, muß jeder Studierende eine Einverständniserklärung unterschreiben.
Mit der Unterschrift bestätigen die Studierenden die Übereinstimmung der elektronischen Variante mit dem Papierausdruck.
Außerdem melden sich die Studierenden mit ihrer Unterschrift verbindlich für die Semester begleitende Prüfungsform mit allen möglichen Konsequenzen an, insbesondere akzeptieren sie damit auch die Möglichkeit des Nicht-Bestehens der Prüfung und des damit verbundenen Verlustes eines Prüfungsversuches.
Studierende, die nicht die Bereitschaft haben, sich der Semester begleitenden Prüfung zu unterziehen, sind auch von der Teilnahme an den Teilklausuren ausgeschlossen.Ihnen wird im Prüfungszeitraum eine vergleichbare 90 Minütige Klausur in elektronischer Form gestellt werden.

Hinweise für höhere Semester

Es ist zunächst nicht geplant die Prüfung in anderer Form anzubieten, als der oben genannten.
Wenn Sie vorhaben teilzunehmen, setzen Sie sich bitte mit mir in Verbindung.

Ort und Termine für die Semester begleitenden Teilklausuren in elektronischer Form (E-Test)

Alle drei elektronischen Klausuren finden im Rahmen der Übungen im IWZ, Raum 135 statt.
E-Test Nr.1: Mittwoch 04.05.2011 8:30Uhr, IWZ Raum 135
E-Test Nr.2: Mittwoch 25.05.2011 8:30Uhr, IWZ Raum 135
E-Test Nr.3: Mittwoch 22.06.2010 8:30Uhr, IWZ Raum 135

Einführung

Regelkreise werden in technischen Systemen beispielsweise verwendet, um:

die Drehzahl eines Motors auch unter sich ändernden Lasten konstant zu halten,
ein Fahrzeug auch bei auftretenden Störungen wie Seitenwind und Schlaglöchern automatisch auf einer vorgegebenen Bahn zu halten,
die von einer Relaistation empfangene Sendeleistung eines Mobiltelefons auch bei wechselnden Dämpfungen durch Wände, Landschaftstopologie etc. auf einem konstanten Niveau zu halten,
die Temperatur in einem Wohnraum trotz sich ändernden Wärmeabfluß durch geöffnete Fenster oder sich ändernder Außentemperatur konstant zu halten,
die bei einem Raster-Kraft-Mikroskop durch ein Piezo-Element auf eine abzutastende Probe ausgeübte Kraft trotz sich ändernder Oberflächenstrukturen konstant halten,
usw. usw.

An diesen Beispielen wird deutlich, dass es Regelungssysteme gibt, die auf ganz unterschiedlichen physikalischen Größen agieren. Geregelt werden beispielsweise Druck, Temperatur, Ort, Geschwindigkeit, Winkel, Winkelgeschwindigkeit, Kraft, Moment, Strom, Spannung, Leistung usw.

Alle diese erwähnten Systeme weisen aber eine ähnliche Struktur auf.

Immer gibt es eine oder mehrere Größen, die in einem gewünschten Bereich gehalten werden sollen, aber Störungen durch äußere Einflüsse unterliegen.
Diese Größen werden immer durch Sensoren erfaßt.
Immer wird aus den erfaßten Größen und aus den Wunschgrößen automatisch berechnet, wie auf das System einzuwirken ist.
Immer geschieht diese Einwirkung automatisch.
Die Bestimmung der automatischen Einflußnahme auf den aktuellen Zustand erfolgt also eben auf der Grundlage dieses aktuellen Zustandes.
Diese Rückkopplung ist der wesentlichste Aspekt eines Regelungssystems überhaupt.

Aus dem Wunsch heraus aus dieser Gemeinsamkeit eine übergreifende Wissenschaft ins Leben zu rufen, geht die Begründung der Kybernetik durch Norbert Wiener in den 1970er Jahren hervor.

Es soll nicht verschwiegen werden, dass diese Wissenschaft auf technischen Entwicklungen fußt, die im Zweiten Weltkrieg gemacht wurden. Insbesondere wurden in England unter Verwendung des Radars automatische Nachführungen für Flug-Abwehr-Geschütze entwickelt.

War der Begriff des Regelkreises erst einmal klar gefaßt, wurden diese auch in Nicht-technischen Systemen identifiziert:

Unser Körper regelt die Körpertemperatur auf 37^o C.
Unser Herzschlag paßt sich den äußeren Leistungsanforderungen an.
Unser motorisches System gemeinsam mit den Augen bildet einen Regelkreis, der es uns erlaubt, nach etwas genau zu greifen. Das Versagen dieses Regelkreises resultiert in Zittern!
Ein Hund querab von seinem joggenden Herrchen paßt, wenn er hergerufen wird, ständig seine Laufrichtung an die sich ändernde Position seines Herrchens an. Eine so genannte "Hundskurve" entsteht.
Schwindet das Vertrauen in den Finanzmarkt, ziehen immer mehr Leute ihr Geld ab, was zu sinkenden Börsenkursen und weiter schwindendem Vertrauen führt. - Diese gefährliche positive Rückkopplung führte in der Vergangenheit schon zum Kollaps des Weltmarktes.

Regelsysteme, die in der Lage sein sollen Störungen zu kompensieren und nicht zu verstärken,

Um den prinzipiellen Aufbau eines Regelungstechnischen Systems zu verdeutlichen, wird im folgenden Unterkapitel ein einfaches Regelungssystem vorgestellt, anhand dessen die allgemein gültige Grundstruktur aufgezeigt wird.