Lernfeld 7 · Prüfung Teil 2

Regelungstechnik

Regelungstechnik für Elektroniker: Regelkreis, Steuerung oder Regelung, P-, I-, PI- und Zweipunktregler sowie Sprungantwort erklärt.

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Darum geht es

Bei einer Steuerung wirkt die Stellgröße auf den Prozess, ohne dass das Ergebnis zurückgemeldet wird; das ist eine offene Wirkungskette. Eine Regelung misst die Regelgröße fortlaufend, vergleicht sie mit dem Sollwert und greift ein. Dieser geschlossene Wirkungskreis heißt Regelkreis.

Die wichtigsten Größen sind die Führungsgröße $w$ (Sollwert), die Regelgröße $x$ (Istwert), die Regeldifferenz $e = w - x$ , die Stellgröße $y$ und die Störgröße $z$ . Der Regler bildet aus der Regeldifferenz die Stellgröße, das Stellglied (zum Beispiel ein Ventil oder ein Frequenzumrichter) wirkt auf die Strecke.

Ein P-Regler reagiert sofort und proportional, lässt aber an einer Strecke mit Ausgleich eine bleibende Regelabweichung. Ein I-Anteil beseitigt sie, weil er so lange verstellt, bis die Abweichung null ist; er macht den Kreis aber langsamer und schwingfreudiger. Ein D-Anteil reagiert auf die Änderungsgeschwindigkeit. Ein Zweipunktregler schaltet nur Ein und Aus; die Regelgröße pendelt dabei um den Sollwert, mindestens um die Schaltdifferenz.

Zur Auslegung nimmst du die Sprungantwort der Strecke auf. Mit der Wendetangente bestimmst du Verzugszeit $T_{u}$ und Ausgleichszeit $T_{g}$ ; ihr Verhältnis zeigt, wie schwer die Strecke zu regeln ist.

Das solltest du dir merken

Steuerung ohne Rückführung, Regelung mit Rückführung der Regelgröße.
Die Regeldifferenz ist Sollwert minus Istwert.
Der P-Regler lässt eine bleibende Regelabweichung, der I-Anteil beseitigt sie.
Je größer $T_{u} / T_{g}$ , desto schwieriger ist die Strecke zu regeln.

Formeln

Regeldifferenz: $e = w - x$; $e$ Regeldifferenz, $w$ Führungsgröße, $x$ Regelgröße, alle in der Einheit der Regelgröße
P-Regler: $y = K_{P} \cdot e$; $y$ Stellgröße, $K_{P}$ Proportionalbeiwert des Reglers
Bleibende Regelabweichung (P-Regler, Strecke mit Ausgleich): $e_{bl} = \frac{w}{1 + K _{P} \cdot K _{S}}$; $K_{S}$ Proportionalbeiwert der Strecke, $K_{P} \cdot K_{S}$ Kreisverstärkung

Typische Fehler in der Prüfung

Regelgröße und Stellgröße verwechselt.
Angenommen, ein größeres $K_{P}$ beseitige die bleibende Abweichung ganz; es verkleinert sie nur und kann Schwingen auslösen.
Beim Zweipunktregler eine konstante Regelgröße ohne Schwankung erwartet.

Tipps aus der Werkstatt

Der Unterschied in einem Satz: Die Regelung misst ihr Ergebnis zurück und vergleicht, die Steuerung nicht. Zum Regelkreis gehören Regelgröße (Ist), Führungsgröße (Soll), Regeldifferenz (Soll minus Ist), Stellgröße und Störgröße (was von außen reinfunkt). Zeichne den geschlossenen Kreis, dann sitzt jede Größe an ihrem Platz.
P reagiert sofort, aber nur proportional zur Abweichung, deshalb bleibt ein Rest. I summiert die Abweichung auf und räumt den Rest weg, braucht aber Zeit. D schaut auf die Änderungsgeschwindigkeit und dämpft. Die Stellgröße eines P-Reglers ist einfach K_P mal Regeldifferenz.
Ein Zweipunktregler kennt nur Ein und Aus. Ohne Schaltdifferenz würde er am Sollwert ständig flattern und die Schütze verschleißen. Die Hysterese ist also gewollt: Je größer sie ist, desto seltener wird geschaltet, dafür schwankt die Regelgröße mehr.

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17 Aufgaben zu „Regelungstechnik“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: Rahmenlehrplan Elektroniker/-in (KMK), Lernfeld 7; DIN IEC 60050-351 (Leittechnik, Begriffe). Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.