Regelungstechnik: Steuern und Regeln
Ein Raum soll warm bleiben, ein Behälter nicht überlaufen, der Druck in einer Leitung gleich bleiben: Dafür wird gemessen und nachgestellt. Hier lernst du den Unterschied zwischen Steuern und Regeln, die Begriffe am Regelkreis und den einfachsten Regler, den Zweipunktregler. Den kannst du unten selbst einstellen und den Temperaturverlauf ansehen.
Steuern oder Regeln?
Steuern: offener Wirkungsweg
Eine Eingangsgröße beeinflusst eine Ausgangsgröße, ohne dass das Ergebnis zurückgemeldet wird. Man spricht von einer Steuerkette.
Beispiel: Die Treppenlichtschaltung schaltet das Licht nach der eingestellten Zeit aus, egal ob noch jemand im Treppenhaus ist.
Regeln: geschlossener Wirkungsweg
Die Größe, um die es geht, wird fortlaufend gemessen und mit dem gewünschten Wert verglichen. Weicht sie ab, greift der Regler ein. Messen, Vergleichen und Stellen bilden einen Regelkreis.
Beispiel: Ein Raumthermostat misst die Raumtemperatur und schaltet die Heizung ein, wenn es zu kalt wird.
Der Unterschied liegt nicht im Gerät, sondern im Wirkungsweg. Die Pumpensteuerung mit Füllstand zum Beispiel heißt in der Werkstatt Steuerung, arbeitet aber als Regelung: Die Schwimmerschalter melden den Füllstand zurück, und die Pumpe wirkt wieder auf ihn.
Der Regelkreis
- Regelgröße x (Istwert)
- Die Größe, die geregelt wird und darum gemessen wird: zum Beispiel die Raumtemperatur, der Füllstand oder der Druck in einer Leitung.
- Führungsgröße w (Sollwert)
- Der Wert, den die Regelgröße haben soll, zum Beispiel 20 °C am Thermostat. Ändert man ihn, folgt die Regelgröße ihm nach.
- Regelabweichung e
- Der Unterschied zwischen Führungsgröße und Regelgröße. Meist wird e = w − x gerechnet: Ist e positiv, ist der Istwert zu klein. Aus der Regelabweichung bestimmt der Regler, was zu tun ist.
- Stellgröße y
- Die Größe, mit der auf die Regelstrecke eingewirkt wird: Heizung ein oder aus, die Stellung eines Ventils, die Drehzahl einer Pumpe.
- Störgröße z
- Alles, was die Regelgröße von außen verändert und nicht vom Regler kommt: ein offenes Fenster, kalte Luft von draußen, der Zulauf in einen Behälter. Störgrößen sind der Grund, warum man überhaupt regeln muss.
- Regelstrecke, Stellglied, Messeinrichtung
- Die Regelstrecke ist der Teil der Anlage, in dem die Regelgröße beeinflusst wird, zum Beispiel der Raum mit dem Heizkörper. Das Stellglied setzt den Befehl des Reglers um, zum Beispiel ein Schütz oder ein Ventil. Die Messeinrichtung erfasst die Regelgröße, zum Beispiel ein Temperaturfühler. Oft gibt sie ihren Wert als Normsignal 4–20 mA an den Regler weiter.
Zweipunktregler zum Ausprobieren
Ein Zweipunktregler kennt nur zwei Stellungen: Heizung ein oder Heizung aus. Damit er nicht ständig hin und her schaltet, hat er zwei Schaltpunkte. Unter dem Einschaltpunkt schaltet er ein, über dem Ausschaltpunkt aus, dazwischen bleibt er, wie er ist. Der Abstand heißt Schaltdifferenz oder Hysterese. So arbeitet auch die Heizungssteuerung im Schaltungsbuch von Eaton: Einschalten bei T ≦ Tmin, Selbsthaltung, Ausschalten bei Tmax (Ausgabe 10/23, S. 4-28 und 4-29).
Ein Modell zum Verstehen, keine Auslegung: Der Raum kühlt zur Außentemperatur hin ab, die Heizung könnte ihn auf 30 K über außen bringen, Zeitkonstante 30 Minuten, Start bei 15 °C. Die Kennzahlen gelten für die letzte Stunde der drei Stunden im Bild.
Was du sehen kannst: Je kleiner die Schaltdifferenz, desto enger bleibt die Temperatur am Sollwert, aber desto öfter schaltet die Heizung. Das belastet Schütz oder Relais. Mit Verzögerung läuft die Temperatur über die Schaltpunkte hinaus: Die Heizung wirkt noch, wenn der Regler schon ausgeschaltet hat, und umgekehrt. Bei kalter Außentemperatur, also größerer Störgröße, ist die Heizung länger an.
Stetige Regler: P und PI
Ein stetiger Regler kann seine Stellgröße fein abgestuft verändern, zum Beispiel ein Ventil halb öffnen oder eine Pumpe über einen Frequenzumrichter langsamer laufen lassen.
- P-Regler (proportional): Die Stellgröße ist umso größer, je größer die Regelabweichung ist. Er reagiert sofort. Bei einer dauernden Störgröße bleibt aber meist eine kleine Regelabweichung übrig, denn ohne Abweichung gäbe er keine Stellgröße mehr aus.
- PI-Regler (proportional und integral): Zum P-Anteil kommt ein I-Anteil, der die Regelabweichung über die Zeit aufsummiert. Er stellt so lange nach, bis die Abweichung verschwunden ist. Ist der I-Anteil zu stark eingestellt, schwingt die Regelgröße über den Sollwert hinaus und pendelt, bevor sie sich einstellt.
Solche Regler stecken zum Beispiel in Frequenzumrichtern. Das Eaton-Schaltungsbuch zeigt eine Pumpe, deren Druck geregelt wird: Der Drucksollwert kommt als 4–20-mA-Signal, der gemessene Druck wird zurückgeführt, und der Regler im Umrichter stellt die Drehzahl (Ausgabe 10/23, S. 5-94 und 5-98). Eine SPS kann dieselbe Aufgabe in ihrem Programm übernehmen.
Weitere Schaltungen
Schaltschrank-Lüfter und -Heizung zum Ausprobieren → Zwei Thermostate: Lüfter bei Wärme, Heizung bei Kälte gegen Kondenswasser. Serienschaltung zum Ausprobieren → Zwei Lampen, ein Serienschalter mit zwei Wippen: Strompfad live im Plan. Wechselschaltung zum Ausprobieren → Eine Lampe von zwei Stellen: Wechselschalter antippen und den Strompfad verfolgen. Dahlanderschaltung zum Ausprobieren → Zwei Drehzahlen mit einer Wicklung: Dreieck für langsam, Doppelstern für schnell.Ist ein Thermostat ein Regler?
Ja. Ein einfaches Raumthermostat misst die Temperatur, vergleicht sie mit dem eingestellten Wert und schaltet die Heizung ein oder aus. Es arbeitet als Zweipunktregler mit einer kleinen Schaltdifferenz. Zwei Thermostate im Stromlaufplan, eines für den Lüfter und eines für die Heizung, zeigt die Schaltung Schaltschrank-Lüfter und -Heizung.
Warum braucht ein Zweipunktregler eine Schaltdifferenz?
Mit nur einem Schaltpunkt würde er bei jedem kleinen Schwanken der Messung ein- und ausschalten. Die Schaltdifferenz sorgt für längere Ein- und Aus-Zeiten. Der Preis ist eine größere Schwankung der Regelgröße.
Was ist der Unterschied zwischen Führungsgröße und Sollwert?
Im Alltag meint man dasselbe: den Wert, den die Regelgröße haben soll. Genau genommen ist die Führungsgröße die Größe, die den Wert vorgibt, und der Sollwert ihr Wert, zum Beispiel 20 °C. Ebenso ist der Istwert der gerade gemessene Wert der Regelgröße.
Wo finde ich die Begriffe genau festgelegt?
Die Begriffe der Leittechnik stehen in DIN IEC 60050-351:2014-09, Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch, Teil 351: Leittechnik (Ausgabe laut DIN Media). Für diese Seite wurde der Normtext nicht eingesehen, die Erklärungen folgen dem Sprachgebrauch in der Ausbildung. Einzelne Bücher verwenden andere Formelzeichen oder Vorzeichen.
Zum Modell: Der Verlauf ist eine einfache Rechnung zum Verstehen (Strecke erster Ordnung mit wahlweiser Totzeit). Echte Räume, Heizungen und Fühler verhalten sich anders. Zahlen aus dem Bild sind keine Auslegungswerte.