Regelungstechnik Projekte für den Lernfeldunterricht

Josef Uphaus Regelungstechnik Projekte für den Lernfeldunterricht Aufgaben, Anwendungen, Simulationen 1. Auflage, korrigierter Nachdruck Bestellnummer 44510 Bildungsverlag EINS 1

Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Buch? Dann senden Sie eine E-Mail an 44510@bv-1.de. Autoren und Verlag freuen sich auf Ihre Rückmeldung. www.bildungsverlag1.de Unter dem Dach des Bildungsverlages EINS sind die Verlage Gehlen, Kieser, Stam, Dähmlow, Dümmler, Wolf, Dürr+Kessler, Konkordia und Fortis zusammengeführt. Bildungsverlag EINS Sieglarer Str. 2, 53842 Troisdorf ISBN 978-3-427-44510-4 2005: Bildungsverlag EINS GmbH, Troisdorf Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis zu 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. 2

Inhaltsverzeichnis Seite Vorwort.............................. 3 1. Grundlagen........................... 7 1.1 Steuern und Regeln im Alltag.............. 7 1.2 Steuern und Regeln in der Normung........ 9 1.2.1 Steuern, Steuerung (nach DIN 19226, Teil 4).. 9 1.2.2 Regeln, Regelung (nach DIN 19226, Teil 4).... 9 1.3 Steuerungs- und Regelungsarten........... 13 1.4 Der Wirkungsplan....................... 14 1.5 Der Wirkungsplan der Steuerung und Regelung (nach DIN 19226, 19227)................. 17 1.6 Grafische Symbole und Kennbuchstaben in der Prozessleittechnik....................... 21 2. Glieder des Regelkreises................ 26 2.1 Der Regelkreis im Wirkungsplan............ 26 2.2 Das Verhalten von Regelkreisgliedern........ 29 2.2.1 Das dynamische Verhalten (Zeitverhalten).... 30 2.2.2 Das statische Verhalten (Beharrungsverhalten). 42 3. Der Regelkreis......................... 48 3.1 Normsignale........................... 48 3.2 Regelungen mit unstetigen Reglern......... 50 3.2.1 Zweipunkt-Regler und Zweipunkt-Regelung... 50 3.2.1.1 Der Regler mit Zweipunktverhalten (Zweipunkt-Regler)............... 50 3.2.1.2 Die Regelung mit einem Zweipunkt-Regler................ 51 3.2.1.3 Der Zweipunkt-Regler mit Rückführung.................... 55 3.3 Regelungen mit stetigen Reglern........... 58 3.3.1 P-Regler und P-Regelung.................. 59 3.3.1.1 Der Regler mit Proportionalverhalten (P-Regler)....................... 59 3.3.1.2 Die Regelung mit einem P-Regler.... 63 3.3.2 Bewertung von Regelungen............... 69 3.3.3 I-Regler und I-Regelung.................. 70 3.3.3.1 Der Regler mit Integrationsverhalten (I-Regler)....................... 70 3.3.3.2 Die Regelung mit einem I-Regler.... 73 3.3.4 D-Glied............................... 76 3.3.5 PI-Regler und PI-Regelung................ 78 3.3.5.1 Der PI-Regler.................... 78 3.3.5.2 Die Regelung mit einem PI-Regler... 81 3.3.6 Stabilität der Regelung................... 85 3.3.7 Reglereinstellung........................ 87 3.3.8 PD-Regler und PD-Regelung............... 91 3.3.8.1 Der PD-Regler................... 91 3.3.8.2 Die Regelung mit einem PD-Regler... 95 3.3.9 PID-Regler und PID-Regelung.............. 99 3.3.9.1 Der PID-Regler................... 99 3.3.9.2 Die Regelung mit einem PID-Regler.. 102 3.3.10 Konzeption einer Regelung................ 106 3.3.11 Stabilität und Optimierung von Regelungen... 108 3.4 Regelungskonzepte...................... 116 4. Reglerausführungen.................... 128 4.1 Analogregler........................... 129 4.2 Digitalregler............................ 130 4.3 SPS-Regler............................ 135 5. Mess- und Stelltechnik................. 137 5.1 Messwerterfassung...................... 139 5.2 Temperaturmesstechnik.................. 141 5.2.1 Berührungslose Temperaturmessung........ 142 5.2.2 Berührende Temperaturmessung........... 143 5.2.2.1 Mechanische Berührungsthermometer.......................... 143 5.2.2.2 Elektrische Berührungsthermoteter.. 143 5.3 Stelleinrichtung......................... 161 5.3.1 Stellglied.............................. 162 5.3.2 Stellantrieb, Steller...................... 164 6. Anhang............................... 169 6.1 Tabellen............................... 169 6.1.1 Reglerauswahl (Strukturierung)............. 169 6.1.2 Reglereinstellung (Parametrierung).......... 170 6.1.3 Identifikation von Regelstrecken............ 172 6.2 Kennbuchstaben und Symbole der EMSR-Technik.......................... 175 6.3 Normwerte für Widerstandsfühler (RTD) und Thermoelemente (TC).................... 177 6.3.1 Grundwerte für Pt 100.................... 177 6.3.2 Grundwerte für Ni 100.................... 178 6.3.3 Bezeichnung und Kennzeichnung von Thermoelementen....................... 179 6.3.4 Auswahlkriterien für Thermoelemente....... 179 6.3.5 Eisen-Konstantan (Fe-CuNi) Typ J........... 179 6.3.6 Nickel/Chrom-Nickel (NiCr-Ni) Typ K......... 180 Stichwortverzeichnis........................... 181 Literatur.................................... 183 Bildquellenverzeichnis......................... 184 5

1 Grundlagen 1.1 Steuern und Regeln im Alltag Die Begriffe Steuern und Regeln sind aus dem täglichen Sprachgebrauch jedermann bekannt. Besonders häufig werden sie in Verbindung mit technischen Vorgängen benutzt. Betrachten Sie die beiden folgenden Aussagen und überlegen Sie, ob die Begriffe steuern und regeln aus Ihrer Sicht richtig gewählt sind. Aussage 1: Der Fahrer des Lastkraftwagens steuert sein Fahrzeug durch den Straßenverkehr. Aussage 2: Zu Beginn der Fahrt regelt er die Lautstärke seines Autoradios. Ein Vergleich mit anderen Beispielen macht den Unterschied zwischen den Begriffen Steuern und Regeln vielleicht deutlicher. Da die Mehrzahl der technischen Regelungen die Temperatur betreffen, sollen hierzu zwei weitere Beispiele betrachtet werden: die Raumheizung und die Wassererwärmung mit einem Tauchsieder. Die Heizungsanlage (Abb. 1.1) hat unter anderem die Aufgabe, die Raumtemperatur konstant zu halten. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer Temperatur-Regelung. Eine Heizung wird nicht ständig befeuert, sondern springt immer erst dann an, wenn die Temperatur einen vorgegebenen Wert unterschreitet und schaltet wieder ab, wenn eine bestimmte Temperatur überschritten wird. Ein wichtiges Hilfsmittel ist hierbei der Raumthermostat. Bei der Raumtemperaturregelung findet ständig ein Vergleich zwischen der am Thermostat eingestellten Temperatur (Sollwert) und der tatsächlichen Raumtemperatur (Istwert) statt. Der ständige Vergleich zwischen dem Sollwert und dem Istwert ist das wesentliche Kennzeichen einer Regelung. 1 Heizkörper 2 Raumtemperaturfühler mit Temperatureinsteller (Raumthermostat) 3 Zentralgerät 4 Stellventil 5 Heizkessel Abb. 1.1: Temperaturregelung 7

1 Grundlagen Im Unterschied zur Raumtemperaturregelung findet bei der Erwärmung des Kaffeewassers mit dem Tauchsieder (Abb. 1.2) kein ständiger Vergleich zwischen der gewünschten und der tatsächlichen Wassertemperatur statt. Ohne den kontrollierenden Blick oder das Geräusch des kochenden Wassers würde dieses häufig verkochen. Findet bei einem System kein Vergleich zwischen dem Sollwert und dem Istwert statt, so bezeichnet man dies als Steuerung. 1 Tauchsieder 2 Flüssigkeitsbehälter Abb. 1.2: Temperatursteuerung Das Auslösen eines Alarms oder das Ansprechen von Sicherungseinrichtungen beim Erreichen von Grenzwerten ist nicht gleichbedeutend mit einer Regelung. Bei den eingangs gemachten Aussagen 1 und 2 müssten daher die Begriffe Steuern und Regeln gegeneinander ausgetauscht werden. Während der Lastkraftwagenfahrer ständig die Position seines Fahrzeuges mit dem Straßenverlauf vergleicht und so das Fahrzeug in der Spur hält, also regelt, schwankt die Lautstärke seines Autoradios beträchtlich. Im technischen Sinne müsste es korrekt heißen: Aussage 1: Der Fahrer des Lastkraftwagens regelt sein Fahrzeug durch den Straßenverkehr. Aussage 2: Zu Beginn der Fahrt steuert er die Lautstärke seines Autoradios. Während man im Alltag noch gut mit einer derartig unscharfen Verwendung der Begriffe leben kann, muss der Techniker seine Vokabeln beherrschen und korrekt verwenden. Sein Vokabelheft sind die Normen. Aufgaben 1.1 Bewerten Sie die folgenden Aussagen und formulieren Sie aus technischer Sicht gegebenenfalls um: Der Kapitän steuert sein Schiff durch die Wasserstraße. Der Polizist auf der Kreuzung regelt den Verkehr. Die Ampelanlage der Kreuzung regelt den Verkehr. Mit einem Dimmer kann die Helligkeit der Raumbeleuchtung geregelt werden. 1.2 Machen Sie in einem Satz den Unterschied zwischen einer Steuerung und einer Regelung deutlich. 8

1.2 Steuern und Regeln in der Normung 1.2 Steuern und Regeln in der Normung Die Begriffe Steuern und Regeln sind in DIN 19226, Teil 1 festgelegt (Februar 1994). Die Norm trägt den Titel: Leittechnik; Regelungstechnik und Steuerungstechnik und gliedert sich in 6 Teile, von denen der Teil 1 Allgemeine Grundbegriffe beinhaltet (s. Übersicht). DIN 19226: Leittechnik; Regelungstechnik und Steuerungstechnik Teil 1: Allgemeine Grundbegriffe Teil 2: Begriffe zum Verhalten dynamischer Systeme Teil 3: Begriffe zum Verhalten von Schaltsystemen Teil 4: Begriffe für Regelungs- und Steuerungssysteme Teil 5: Funktionelle Begriffe Teil 6: Begriffe zu Funktions- und Baueinheiten 1.2.1 Steuern, Steuerung (nach DIN 19226, Teil 4) In der Norm sind die Begriffe Steuern und Steuerung wie folgt definiert: DIN Das Steuern, die Steuerung, ist der Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen (s. Abb. 1.3). Kennzeichen für das Steuern ist der offene Wirkungsweg oder ein geschlossener Wirkungsweg, bei dem die durch die Eingangsgrößen beeinflussten Ausgangsgrößen nicht fortlaufend und nicht wieder über dieselben Eingangsgrößen auf sich selbst wirken. Der Begriff Steuerung wird auch für die Gesamtanlage verwendet, in der die Steuerung stattfindet. verursachende Größen System beeinflusste Größe Abb. 1.3: Wirkungsplan eines Systems mit offenem Wirkungsweg (Steuerkette) Das Steuern oder die Steuerung kann durch die Begriffe offener Wirkungsweg und Steuerkette beschrieben werden. 1.2.2 Regeln, Regelung (nach DIN 19226, Teil 4) Die Begriffe Regeln und Regelung sind ebenfalls in der Norm genau beschrieben: DIN Das Regeln, die Regelung, ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine Größe, die Regelgröße (die zu regelnde Größe), erfasst, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Kennzeichen für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf, bei dem die Regelgröße im Wirkungsweg des Regelkreises fortlaufend sich selbst beeinflusst (s. Abb. 1.4). 9

1 Grundlagen Eine Regelung liegt auch dann vor, wenn nicht fortlaufend, sondern unstetig eine Systembeeinflussung stattfindet (z. B. bei Zweipunktgliedern). Der Begriff Regelung wird gleichfalls für die Gesamtanlage verwendet, in der die Regelung stattfindet. Auch ein Mensch kann als Glied eines Regelkreises mitwirken. Das Regeln oder die Regelung kann durch die Begriffe geschlossener Wirkungsweg und Regelkreis beschrieben werden. verursachende Größen System 1 beeinflusste Größe System 2 Rückwirkung Abb. 1.4: Wirkungsplan eines Systems mit geschlossenem Wirkungsweg (Regelkreis) Beispiel Kennzeichen einer Regelung Vorhandensein einer Messeinrichtung, mit der die zu regelnde physikalische Größe (der Istwert oder die Regelgröße) erfasst wird. Wird z. B. die Temperatur gemessen, so handelt es sich um eine Temperaturregelung. Das Ausgangsignal der Messeinrichtung wird einer Zentraleinheit (dem Regler) zugeführt und hier mit einer zweiten Größe (dem Sollwert oder der Führungsgröße) verglichen. Das Ausgangssignal der Zentraleinheit (des Reglers) beeinflusst direkt oder indirekt die gemessene physikalische Größe. Damit ist der Regelkreis geschlossen. Die folgende Abbildung 1.5 zeigt ein einfaches technisches System, bei dem gezeigt werden soll, wie eine Steuerung oder Regelung analysiert und beschrieben werden kann. 1 Temperaturfühler 2 Zentralgerät mit Temperaturwähler 3 Heizraum Abb. 1.5: Brennofen Systemanalyse Der Temperaturfühler (1) erfasst die Temperatur im Innenraum des Brennofens (3) und führt den Messwert zum Zentralgerät (2). Am Zentralgerät kann eine Temperatur gewählt und eingestellt werden. Das Zentralgerät schaltet in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der eingestellten und der gemessenen Temperatur im Brennofen die gasbefeuerte Heizung ein bzw. aus (Funktionszusammenhang). 10

1.2 Steuern und Regeln in der Normung Der Wirkungskreis ist damit geschlossen: es handelt sich um eine Temperatur-Regelung. Sind die Komponenten des technischen Systems noch nicht in Form einer Legende beschrieben, so muss der Techniker diese Vorarbeit selbstständig leisten. Dabei reicht die Auflistung der Komponenten allein nicht aus. Er muss sich auch einen Überblick über die Funktionszusammenhänge verschaffen, um das System vollständig verstehen und beschreiben zu können. Aufgaben 1.3 In den folgenden Abbildungen (1.6 1.13) sind Beispiele technischer Einrichtungen dargestellt. Analysieren und beschreiben Sie die Funktionsweise der Einrichtungen aufgrund Ihrer Kenntnisse oder Annahmen. Geben Sie an, ob es sich um eine Steuerung oder Regelung handelt und bezeichnen Sie jeweils das System (z. B. Brennofen-Temperaturregelung, s. Abb. 1.5). 1 Zulaufventil 2 Ablaufventil 3 Behälter Abb. 1.6 1 Zulaufventil 2 Ablaufventil 3 Behälter 4 Schwimmer Abb. 1.7 1 Kessel 2 Kompressor 3 Ventil 4 Motor 5 Schalter 6 Druckfühler mit -anzeige Abb. 1.8 11

1 Grundlagen 1 Kessel 2 Kompressor 3 Ventil 4 Motor 5 Druckschalter 6 Schütz Abb. 1.9 1 Kessel 2 Kompressor 3 Ventil 4 Motor 5 Schalter 6 Drosselstelle 7 Druckfühler mit -anzeige Abb. 1.10 1 Einsteller 2 ph-wert-fühler 3 Zentralgerät 4 Stellventil 5 Flüssigkeit a 6 Flüssigkeit b 7 Flüssigkeit c Abb. 1.11 1 Einsteller 2 Druckfühler 3 Stellventil 4 Rohrleitung 5 Zentralgerät Abb. 1.12 1 Dampfzufuhr 2 Druckfühler 3 Zentralgerät für Dampfdruck 4 Stellventil 5 Temperaturfühler 6 Temperatureinsteller 7 Zentralgerät für Temperatur 8 Flüssigkeitsbehälter Abb. 1.13 12

1.3 Steuerungs- und Regelungsarten 1.3 Steuerungs- und Regelungsarten Steuerungen und Regelungen können nach verschiedenen Gesichtspunkten unterschieden werden. In der DIN 19226 werden Steuerungen u. a. gegliedert nach: DIN Informationsdarstellung Signalverarbeitung Steuerungsablauf Programmverwirklichung Hierarchische Zuordnung analoge, digitale und binäre Steuerung synchrone, asynchrone und Verknüpfungssteuerung Ablauf-, zeitgeführte und prozessabhängige Steuerung verbindungsprogrammierte, speicher-, frei- und austauschprogrammierbare Steuerung Einzel-, Gruppen- und Prozesssteuerung Eine weitere Einteilungsmöglichkeit zeigt Abb. 1.14. Hier wird zwischen Führungssteuerung, Programmsteuerung und Haltegliedsteuerung unterschieden. S T E U E R U N G E N Führungssteuerung (Folgesteuerung) Programmsteuerung Haltegliedsteuerung z. B. Dimmer z. B. Schützsteuerung Zeitplansteuerung Wegplansteuerung Ablaufsteuerung z. B. Beleuchtungssteuerung Abb. 1.14: Steuerungsarten z. B. Aufzugssteuerung z. B. Silosteuerung Auch Regelungen werden in der Norm nach verschiedenen Gesichtspunkten eingeteilt: DIN Informationsdarstellung analoge und digitale Regelung Automatisierungsgrad Führungsgröße Signalverarbeitung selbsttätige Regelung und Handregelung Festwertregelung, Folgeregelung und zeitgeführte Regelung (s. Abb. 1.15) zeitkontinuierliche Regelung, Mehrpunktregelung und Abtastregelung R E G E L U N G E N Festwertregelung Folgeregelung zeitgeführte Regelung z. B. Spannungsregelung z. B. witterungsgeführte Temperaturregelung Abb. 1.15 Regelungsarten z. B. Temperaturregelung Tag/Nacht-Absenkung 13

1 Grundlagen Neben den in DIN 19226 vorgeschlagenen Merkmalen lassen sich weitere Reglereinteilungen vornehmen: Ausführungsart elektrische oder elektronische Regelung, mechanische, hydraulische oder pneumatische Regelung Aufgaben 1.4 Erarbeiten Sie weitere Gesichtspunkte, nach denen Regelungen eingeteilt werden können. 1.5 Geben Sie Beispiele für selbsttätige Regelungen und Handregelungen an. 1.6 Geben Sie Beispiele für elektrische oder elektronische, mechanische, hydraulische und pneumatische Regelungen an. 1.4 Der Wirkungsplan Technische Systeme sind vielfach zu komplex, um sie in detaillierter Form darzustellen. Oftmals reicht eine vereinfachte Darstellung, um den gesamten Wirkungszusammenhang zu beschreiben. Zu diesem Zweck werden einzelne Elemente des Systems zu Baugruppen oder Funktionseinheiten zusammengefasst. Eine derartige Einheit wird als Block oder Übertragungsglied bezeichnet und in Form eines Rechtecks dargestellt (s. Abb. 1.16 a). Da häufig mehrere Blöcke gebildet werden können oder müssen und diese in der Anlage zusammenwirken, werden sie durch Wirkungslinien miteinander verbunden. Hierbei wird die Wirkungsrichtung zusätzlich durch einen Pfeil gekennzeichnet. Ohne eine Richtungsangabe gilt als Wirkungsrichtung vereinbarungsgemäß: von links nach rechts oder von oben nach unten. Eine Wirkungslinie stellt den Weg und die Richtung einer physikalischen Größe dar (Abb. 1.16 b). Die physikalischen Größen werden auch als Signale bezeichnet. Als Eingangsgrößen erhalten sie allgemein die Kennzeichnung u, als Ausgangsgrößen die Kennzeichnung v. Mit der Wirkungsrichtung wird gleichzeitig festgelegt, dass die Größen nur in einer Richtung wirken und keine Rückwirkung erfolgt (s. Abb. 1.16 a). a) Block b) Wirkungslinie c) Verzweigung d) Addition/Subtraktion (v = u 1 u 2 ) Abb. 1.16: Elemente des Wirkungsplans 14

1.4 Der Wirkungsplan Mithilfe zweier weiterer Elemente lassen sich auch komplexe Systeme im Wirkungsplan übersichtlich darstellen: die Verzweigung und die Addition von Signalen (s. Abb. 1.16 c, d). An der Additionsstelle kennzeichnet das Vorzeichen (+/ ) die Art der Signalzusammenführung, wobei das positive Vorzeichen auch entfallen kann. Die bildliche Darstellung eines Systems, aus dem das Zusammenwirken der Einzelblöcke deutlich wird, heißt Wirkungsplan. Andere (nicht genormte) Bezeichnungen sind Signalflussplan, Blockschaltbild oder Strukturbild. Soll die Art der Signalumwandlung in einem Block näher beschrieben werden, so kann dies durch Hinzufügen einer Bezeichnung an (in) den Block oder auch durch die bildliche Darstellung des Übertragungsverhaltens im Block erfolgen. Sämtliche Wirkungspläne weisen bestimmte Grundstrukturen auf. Es sind die Reihenstruktur (auch: Kettenstruktur), die Parallelstruktur und die Kreisstruktur (s. Abb. 1.17 a c). Zur Bestimmung des Ausgangssignals müssen für den stationären Fall nur die Übertragungsbeiwerte oder Konstanten K der Übertragungsglieder berücksichtigt werden. a) Kettenstruktur v = K 1 K 2 K 3 u b) Parallelstruktur v = (K 1 + K 2 ) u c) Kreisstruktur Abb. 1.17: Grundstrukturen des Wirkungsplans K 1 v = u 1 K 1 K 2 Eine häufig anzutreffende Art der Darstellung einer Kreisstruktur in regelungstechnischen Wirkungsplänen ist in Abb. 1.18 abgebildet. Sie macht die Rückkopplung eines Signals deutlich. Wird das Signal positiv rückgekoppelt, so liegt eine Mitkopplung vor, bei negativer Rückkopplung spricht man von einer Gegenkopplung. Abb. 1.18: Kreisstruktur in Form der Rückkopplung (li) mit der Softwaredarstellung (re) 15

1 Grundlagen Rückkopplung Mitkopplung Gegenkopplung Abb. 1.19: Rückkopplungsarten Für das Verständnis einer komplexen regelungstechnischen Anlage ist es wichtig, sich die Systemstruktur zu erarbeiten, also den zugehörigen Wirkungsplan zu erstellen. Zu diesem Zweck werden im ersten Schritt einzelne Komponenten oder Bestandteile der Anlage zu Blöcken zusammengefasst. Im zweiten Schritt muss dann der Techniker das Signalübertragungsverhalten jedes einzelnen Blocks beschreiben. Hierbei können die zur Anlage mitgelieferten technischen Unterlagen hilfreich sein. Ist das Übertragungsverhalten aller Blöcke bekannt, lässt sich das Verhalten der Regelung analysieren und beschreiben. Auch bei der Anlagenprojektierung ist der Wirkungsplan erforderlich. Aus bekannten oder vorgegebenen Anlagenkomponenten kann Schritt für Schritt die Gesamtanlage entwickelt und im Vorfeld bereits auf ihre Wirkung hin untersucht werden. Sowohl die Anlagenanalyse als auch die Anlagenprojektierung kann mit den heute zur Verfügung stehenden Mitteln der Datenverarbeitung am Computer nachgebildet und simuliert werden. Die wichtigste Voraussetzung ist die möglichst genaue Beschreibung (Kennlinie oder Funktionsgleichung) sämtlicher beteiligter Anlagenelemente. Eine vollständige Simulation lässt dann Ungenauigkeiten, Störungen oder ein Fehlverhalten im Vorfeld erkennen und trägt so dazu bei, die Produktions- oder Projektierungskosten zu reduzieren. Aufgaben 1.7 Ermitteln Sie die Ausgangsgrößen in den Abbildungen 1.20 a d in Abhängigkeit der Eingangsgrößen (v = ). 1.8 Bilden Sie die Wirkungsplanausschnitte mit Ihrer regelungstechnischen Software nach und ermitteln Sie die Werte der Ausgangsgrößen. Setzen Sie für die Eingangsgrößen jeweils einen Generator mit einem konstanten Ausgangssignal ein. a) b) c) Abb. 1.20: Wirkungsplanausschnitte d) 16

1.5 Der Wirkungsplan der Steuerung und Regelung 1.5 Der Wirkungsplan der Steuerung und Regelung (nach DIN 19226, 19227) Die einfachste Form der Darstellung eines Regelkreises zeigt Abb. 1.21. Sie beinhaltet die wesentlichen Blöcke: die Regelstrecke, den Vergleicher und das Regelglied. Da vielfach das Regelglied und der Vergleicher eine gerätetechnische Einheit bilden, werden beide begrifflich zur Regeleinrichtung zusammengefasst und durch ein eigenes Blocksymbol dargestellt (Abb. 1.22). Die Bestandteile des Regelkreises sind in DIN 19226, Teil 4 definiert. Abb. 1.21: Wirkungsplan einer Regelung (2 Darstellungsformen) DIN Regelstrecke Die Strecke (Steuerstrecke, Regelstrecke) ist der aufgabenmäßig zu beeinflussende Teil des Systems oder der entsprechende Teil des Wirkungsplans. Die Eingangsgrößen der Strecke werden durch die Regeleinrichtung gebildet. Deshalb werden sie mit dem Formelbuchstaben y bezeichnet. Vergleichsglied Regelglied Das Vergleichsglied ist eine Funktionseinheit, die die Regeldifferenz e aus der Führungsgröße w und der Rückführgröße r bildet. Das Regelglied ist eine Funktionseinheit, in der aus der vom Vergleichsglied zugeführten Regeldifferenz e als Eingangsgröße die Ausgangsgröße des Reglers so gebildet wird, dass im Regelkreis die Regelgröße der Führungsgröße nachgeführt wird. Regeleinrichtung Die Regeleinrichtung ist derjenige Teil des Wirkungsweges, der die aufgabenmäßige Beeinflussung der Strecke über das Stellglied bewirkt. Sie enthält mindestens eine Einrichtung zum Erfassen der Regelgröße x (Rückführgröße r), zum Vergleichen mit der Führungsgröße w und zum Bilden der Stellgröße y. Abb. 1.22: Wirkungsplan der Regelung (vereinfacht) Neben den Blöcken sind auch die im Regelkreis auftretenden Größen und deren Formelzeichen in DIN 19226 genormt. Bis auf die Störgröße z sind die wesentlichen Größen des Regelkreises bereits angegeben. 17

1 Grundlagen Störgrößen können in einem Regelkreis fast überall auftreten. Häufig wirken sie jedoch mehr oder weniger direkt auf die Regelstrecke (Abb. 1.23). Beim Brennofen (Abb. 1.5) entspräche dies z. B. einem kurzzeitigen Öffnen der Brennkammerklappe. Abb. 1.23: Regelstrecke mit Eingangs-, Ausgangs- und Störgröße DIN Regelgröße x Die Regelgröße ist diejenige Größe der Regelstrecke, die zum Zwecke des Regelns erfasst und über die Messeinrichtung der Regeleinrichtung zugeführt wird. Sie ist die Ausgangsgröße der Regelstrecke und Eingangsgröße der Messeinrichtung. Führungsgröße w Die Führungsgröße einer Steuerung oder Regelung ist eine von der betreffenden Steuerung oder Regelung nicht beeinflusste Größe, die der Steuerkette oder dem Regelkreis von außen zugeführt wird und der die Ausgangsgröße der Steuerung oder Regelung in vorgegebener Abhängigkeit folgen soll. Regeldifferenz e Die Regeldifferenz ist die Differenz zwischen der Führungsgröße und der Rückführgröße (e = w r). Ohne Berücksichtigung der Messeinrichtung kann sie auch als Differenz zwischen der Führungsgröße und der Regelgröße angesetzt werden (e = w x). Stellgröße y Die Stellgröße ist die Ausgangsgröße der Steuer- oder Regeleinrichtung und zugleich Eingangsgröße der Strecke. Sie überträgt die steuernde Wirkung der Einrichtung auf die Strecke. Störgröße z Eine Störgröße in einer Steuerung oder Regelung ist eine von außen wirkende Größe, die die beabsichtigte Beeinflussung in der Steuerung oder Regelung beeinträchtigt. Der bei einer Regelung ständig vorgenommene Vergleich zwischen Führungsgröße (Sollwert) und Regelgröße (Istwert) erfolgt im Vergleichsglied. Hier wird aus der Führungsgröße (w) und der Regelgröße (x) oder der Rückführgröße (r) die Regeldifferenz e gebildet. Regeldifferenz: e = w x e = w r Die Bezeichnung Regelabweichung (x w = x w) oder das Formelzeichen x d für die Regeldifferenz sind nicht mehr üblich. In der folgenden Abb. 1.24 ist der typische Wirkungsplan einer Regelung nach DIN 19226, Teil 4 mit den dort angegebenen Bezeichnungen und Formelzeichen abgebildet. Er zeigt eine detaillierte Darstellung und bietet eine bessere Möglichkeit, eine reale Regelung in einen Wirkungsplan umzusetzen. Neben den Funktionsblöcken Messeinrichtung, Steller, Bildung der Führungsgröße und Bildung der Aufgabengröße sind weitere Größen hinzugekommen. 18