Steuern und Regeln
In der Technik können Größen sowohl gesteuert, als auch geregelt werden.
Beim Steuern wird eine Größe beeinflusst, ohne Einflüsse von außen ausgleichen zu können. Beim Regeln wird eine Größe auf einem bestimmten Wert gehalten, Einflüsse von außen können ausgeglichen werden.
Steuern bedeutet im folgenden Beispiel, dass der Mensch die Heizleistung auf einen festen Wert einstellt. Der Heizkörper kann das Absinken der Raumtemperatur durch das Öffnen des Fensters nicht ausgleichen.
Regeln bedeutet im unten stehenden Beispiel, dass der Mensch die Heizleistung erhöht, wenn die Raumtemperatur unter 20 °C sinkt. Steigt die Raumtemperatur über 20 °C, reduziert er die Heizleistung.
Grundbegriffe zum Regeln
Der Strom für die elektrische Heizung ist im Beispiel die Stellgröße. Der änderbare Widerstand ist das Stellglied. Die Hand, die das Stellglied betätigt, ist der Steller. Die tatsächliche Raumtemperatur ist die Regelgröße oder der Istwert. Die gewünschte Raumtemperatur ist die Führungsgröße oder der Sollwert. Die elektrische Heizung ist die Regelstrecke. Das Thermometer ist der Sensor. Der Temperaturverlust durch das geöffnete Fenster ist die Störgröße.
Das bedeutet also: Der Mensch misst die Regelgröße (Raumtemperatur) am Sensor (Thermometer), vergleicht die Regelgröße (Raumtemperatur) mit der Führungsgröße (gewünschte Raumtemperatur) und regelt mit dem Steller (Hand) über das Stellglied (änderbarer Widerstand) die Stellgröße (Heizungsstrom), um die Störgröße (Temperaturabfall durch geöffnetes Fenster) auszugleichen. Der Mensch ist also der Regler.
Die Stelleinrichtung wird gebildet aus: Stellglied und Steller.
Steller und Regler zusammen bilden die Regeleinrichtung.
Im folgenden Bild finden Sie eine abstrakte Darstellung des oben beschriebenen Sachverhalts.
Das Vergleichsglied vergleicht die Führungsgröße über den Sensor mit der Regelgröße. Weichen Führungs- und Regelgröße voneinander ab, ergibt sich daraus eine positive oder negative Regeldifferenz, die wiederum eine Änderung der Regelgröße bewirkt.
Regelkreis
Die Regelgröße x beeinflusst über die Regeleinrichtung die Stellgröße M. Dadurch entsteht ein in sich geschlossener Kreislauf, der auch als Regelkreis bezeichnet wird.
Wenn das Fenster im obigen Beispiel geöffnet wird, fällt die Temperatur im Raum ab. Der Mensch muss die Heizleistung des Heizkörpers erhöhen. Wird der Heizleistung zu stark erhöht, wird es zu heiß. Der Mensch muss die Heizleistung verringern.
Wenn die Heizleistung zu schnell erhöht bzw. verringert wird, beginnt der Regelkreis zu schwingen. Die Raumtemperatur schwankt. Es ist entweder zu kalt oder zu warm. Um das zu vermeiden, muss der Mensch die Heizleistung vorsichtig und langsam verringern oder erhöhen.
Regeldifferenz
Die Regeldifferenz ist die Differenz zwischen der Führungsgröße und der Regelgröße. Daraus ergibt sich analog: die Abweichung eines Istwerts von einem Sollwert.
e = SP – PV
Die Regeldifferenz e führt zu einer Änderung der Stellgröße y.
Am obigen Beispiel lässt sich das gut verdeutlichen: Wenn bei einer gewünschten Temperatur von 20 °C (= Führungsgröße SP) die Raumtemperatur 22 °C (= Regelgröße PV) beträgt, ergibt die Regeldifferenz:
e = SP – PV = 20 °C - 22 °C = -2 °C
Das negative Vorzeichen bedeutet hierbei eine Wirkungsumkehr, d.h. die Heizleistung wird verringert.
Im Beharrungszustand eines Regelkreises ist die Regeldifferenz null oder sehr klein. Ändert sich die Führungsgröße oder kommt es zu einer Störung, so entsteht eine Regeldifferenz. Die Regeldifferenz wird über die Stellgröße M ausgeregelt.
Beschreibung der einzelnen Parameter