Regelungstechnik ist eine Ingenieurwissenschaft, welche diejenigen Regelungsvorgänge behandelt, die in der Technik vorkommen.
mini|400x400px|Struktur eines einfachen Regelkreises Ein technischer Regelvorgang ist eine gezielte Beeinflussung von physikalischen, chemischen oder anderen Größen in technischen Systemen. Die sogenannten Regelgrößen sind dabei auch beim Einwirken von Störungen entweder möglichst konstant zu halten (Festwertregelung) oder so zu beeinflussen, dass sie einer vorgegebenen zeitlichen Änderung folgen (Folgeregelung).
Das Regelprinzip ist der Soll-Istwertvergleich der Führungsgröße mit der negativ zurückgeführten gemessenen Regelgröße. Der Regler bestimmt über die Regelabweichung (Regeldifferenz) und die vorgegebenen Regelparameter eine Stellgröße. Diese wirkt über die Regelstrecke so auf die Regelgröße ein, dass sie die Regelabweichung trotz vorhandener Störgrößen minimiert und die Regelgröße je nach gewählten Gütekriterien ein gewünschtes Zeitverhalten annimmt.
Bekannte Anwendungen im Haushalt sind die Konstant-Temperaturregelung für die Raumluft (Heizungsregelung), für die Luft im Kühlschrank oder für das Bügeleisen. Mit dem Tempomat wird die Fahrgeschwindigkeit im Kraftfahrzeug konstant gehalten. Eine Folgeregelung ist im Allgemeinen technisch anspruchsvoller, beispielsweise die Kursregelung mit einem Autopiloten in der Schifffahrt, Luftfahrt oder Raumfahrt, oder die Zielverfolgung eines beweglichen Objekts.
Die Regelungstechnik befasst sich auch mit der mathematischen Systemanalyse und Modelldefinition für Regelkreise und ihre Komponenten, um sie mit Differenzialgleichungen, Übertragungsfunktionen und Zustandsraumdarstellungen zu beschreiben. Damit lässt sich das jeweilige Systemverhalten berechnen und ein optimaler Regler entwerfen. Diese mathematische Systembeschreibung wird in der übergeordneten Systemtheorie (Ingenieurwissenschaften) behandelt und auch auf andere dynamische Systeme wie beispielsweise Wirtschaft oder Klima angewandt.
Dieser Hauptartikel Regelungstechnik stellt überschlägig das Spektrum der Regelungstechnik dar und bezieht sich dabei auf die Artikel Regelkreis, Regler, Regelstrecke und andere.
Geschichte der Regelungstechnik
Die Beschäftigung des Menschen mit der Regelungstechnik begann zwischen dem 3. Jahrhundert v. Chr. und dem 1. Jahrhundert n. Chr. im antiken Griechenland. Das einer Regelung zugrunde liegende Rückkopplungsprinzip ist keine Erfindung des Menschen, sondern ein seit je stattfindendes Naturphänomen. Die moderne Regelungstechnik begann zur Zeit der industriellen Revolution unter Verwendung mechanischer Bauteile. Ihr größter Fortschritt wurde durch die Entwicklung der Elektronik und schließlich durch die elektronische Rechentechnik ermöglicht.
Erklärung und Definition von Regelung und Steuerung Einschlägige Normen In der Automatisierungstechnik spielen neben Regelungen auch Steuerungen eine sehr wichtige Rolle. Zur Geschichte der Normung von Regelung und Steuerung sind im Artikel Steuerungstechnik nähere Ausführungen zu finden.
Die Norm „IEC 60050-351 Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch – Teil 351: Leittechnik“ legt Grundbegriffe der Leittechnik fest, unter anderen auch Prozess und Leiten, und schließt dabei die Regelung und die Steuerung mit ein. Sie ersetzt in Deutschland die DIN-Norm DIN V 19222:2001-09. Die früher gültige Norm DIN 19226 für die Definition regelungstechnischer und steuerungstechnischer Begriffe ist seit dem Jahre 2002 nicht mehr gültig.
In der englischsprachigen Fachliteratur wird undifferenziert sowohl für Regelung als auch für Steuerung das englische Wort (für den Prozess) bzw. (für die hardwaremäßige Implementierung) verwendet. Dieser Begriff wird meistens mit Steuerung übersetzt. Um richtig übersetzen zu können, ist daher die Kenntnis des Kontextes erforderlich. Wenn verwendet wird, ist eindeutig Regelungstechnik gemeint.
Definition des Begriffs Regelung Die Norm DIN IEC 60050-351 enthält folgende Definition des Begriffs Regelung: Die Regelung bzw. das Regeln ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine Größe, die Regelgröße, 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.
Erweiterte Erklärung des Begriffs Regelung Oben genannter Definition liegt der Wirkungsplan für eine einschleifige Eingrößen-Regelung zugrunde, wie diese in der Praxis am häufigsten auftritt. Darin sind die einzelnen Größen wie die Regelgröße, die Führungsgröße sowie die nicht genannte, zur Führungsgröße rückgeführte Messgröße, die Stellgröße und die Störgröße als zeitlich veränderliche Größen zu betrachten.
mini|500px|Blockdiagramm eines Standard-Regelkreises für eine einzige Regelgröße y(t), sog. Eingrößen-Regelung als einschleifiger Regelkreis
Die Regelgröße wird durch ein Messglied als Istwert gemessen und dieser mit der Führungsgröße (Sollwert) verglichen. Die Regelabweichung als Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert wird dem Regler zugeführt, der daraus entsprechend dem gewünschten Zeitverhalten (Dynamik) des Regelkreises eine Stellgröße bildet. Das Stellglied kann Bestandteil des Reglers sein, in den meisten Fällen stellt es jedoch ein separates Gerät dar. Die Störgröße wirkt auf die Regelgröße in der Regelstrecke oder Teilen von ihr.
Für die gewollte Minimierung der Regelabweichung (bzw. Regeldifferenz) hängt die Polarität der Regelabweichung nicht nur von der Führungsgröße ab, sondern auch vom Wirkungssinn der Regelstrecke (direkt oder invertierend).
Eine positive Regelabweichung führt über die Verstärkung des Reglers nur dann zu einer positiven Zunahme der Regelgröße, wenn die Regelstrecke zur Reduzierung der Regelabweichung einen positiven Stellwert benötigt. Handelt es sich bei einer Regelstrecke z. B. um eine Heizung, so führt ein positiver Stellwert zu einer steigenden Temperatur. Das Öffnen eines Fensters, Sonneneinstrahlung oder Kühleffekte durch Windgeschwindigkeit sind von außen wirkende Störgrößen. Handelt es sich bei der Regelstrecke z. B. um ein Kühlaggregat, so führt ein positiver Stellwert (also das Einschalten der Kompressionskältemaschine) zu einer sinkenden Temperatur. Ein solcher Fall ist im Blockschaltbild des Regelkreises durch eine Vorzeichenumkehr der Stellgröße gekennzeichnet.
Prinzipien der Steuerung
Die Norm DIN IEC 60050-351 enthält folgende Definition des Begriffs Steuerung:
Das Steuern, die Steuerung, ist ein Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen, andere Größen als Ausgangs- bzw. Steuergrößen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen.
Kennzeichen für das Steuern ist entweder der offene Wirkungsweg oder ein zeitweise geschlossener Wirkungsweg, bei dem die durch die Eingangsgrößen beeinflussten Ausgangsgrößen nicht fortlaufend und nicht wieder über dieselben Eingangsgrößen auf sich selbst wirken.
Beim Wirkungsplan von Steuerungen entfällt gegenüber dem Wirkungsplan der Regelung die über das Messglied der Regelgröße vollzogene Rückführung (Rückkopplung). Die Führungsgröße bildet über die Steuereinrichtung eine Stellgröße, die über die Steuerstrecke direkt die Ausgangsgröße bestimmt.
mini|600px|Prinzip einer Steuerung mit Kompensation des Einflusses einer Haupt-Störgröße durch Störgrößenaufschaltung
Bleibt die zu steuernde Größe von außen ungestört, arbeitet eine reine Steuerung bei gut bekannter Steuerstrecke fehlerfrei. Sind die Störungen messbar, können sie durch geeignete Maßnahmen kompensiert werden. Beispielsweise ist die Energiezufuhr für eine Heizungseinrichtung, bei der nur die Vorlauftemperatur des Heizmediums gegen schwankende Außentemperatur geregelt wird, eine offene Steuerung. Wird ein Fenster des Raumes zur kalten äußeren Umgebung geöffnet, wirkt eine Störgröße auf die Raumtemperatur , und diese sinkt. Für ihre Regelung müsste sie gemessen und auf eine Regeleinrichtung gegengekoppelt werden.
Der Wirkungsplan in der Abbildung zeigt eine Steuerung, die als offene Kette aus Steuereinrichtung und Steuerstrecke dargestellt ist. Wenn eine Störgröße dominant und bekannt und messbar ist, kann zusätzlich eine Störgrößenaufschaltung, die einen zweiten Zweig der Steuerung darstellt, angewendet werden (oberer Block in der Abbildung).
Vor- und Nachteile von Regelungen gegenüber Steuerungen Vorteile von Regelungen: Störungen einer Größe in einem Prozess sind oft in Größe und zeitlichem Auftreten nicht bekannt und deshalb nicht erfassbar. Das ist im Vergleich mit einer Steuerung der grundsätzliche Vorteil einer Regelung, mit der eine Größe gegen den Einfluss beliebiger Störungen annähernd auf einen gewünschten Wert gehalten wird, ohne dass die Störungen bekannt sein müssen.
Nachteile von Regelungen: Eine Regelung ist technisch aufwändiger und teurer als eine Steuerung, weil sie die Steuergröße als Regelgröße messen und die Stellgröße mit einem geeigneten Regler ermitteln muss. Eine Steuerung ist nur dann vorteilhaft, wenn die Auswirkung von Störgrößen toleriert werden kann und an Genauigkeit und Konstanz der Steuergröße keine hohen Anforderungen bestehen. Der Regelkreis kann durch ungewollte, z. B. durch Alterung und Verschleiß bedingte Parameteränderungen instabil werden. Heuristische Optimierungsverfahren und Reparaturen nach dem Prinzip „Versuch und Irrtum“ reichen oft nicht aus. Qualifizierte Fachleute sind erforderlich.
Die Vor- und Nachteile von Steuerungen sind im Artikel Steuerungstechnik beschrieben.
Technische Realisierung der Regelung und Steuerung mini|400px|Prinzipielle Funktionen eines Steuerungsprozesses mit Darstellung der zugehörigen Schnittstellen
Die Eingangs- und Ausgangsgrößen sowie deren Verarbeitung in einem Steuerungs- oder Regelungssystems können durch Analogtechnik oder Digitaltechnik realisiert werden.Jürgen Müller: Regeln mit SIMATIC. Publicis Corporate Publishing, Erlangen 2004, ISBN 3-89578-248-3.Manfred Schleicher: Regelungstechnik für den Praktiker. Fa. JUMO GmbH & Co, 2006, ISBN 3-935742-00-2.Berthold Heinrich (Hrsg.): Messen, Steuern, Regeln. Vieweg Verlag, Wiesbaden 2005, ISBN 3-8348-0006-6. Analoge Systeme werden heute weitgehend ersetzt durch digitale Systeme, die die Automatisierung durch Fernsteuerung, Fernwartung und Vernetzung im Sinne von Industrie 4.0 unterstützen und zudem meist kostengünstiger herzustellen sind. In Sonderfällen werden pneumatische oder einfache mechanische Regler eingesetzt.
Je nach Aufbau und Einsatzzweck lassen sich unterscheiden: Industrieregler: Maschinennahe Einzelregler für Kleinanlagen mit eigenem Mikroprozessor Prozessregelgeräte: Erweiterbare Industrieregler mit Schnittstelle zu übergelagertem (Leit-)System Universalregler: Prozessregler in Form von Erweiterungskarten oder Software-Regelbausteinen für programmierbare Steuerungen Branchenregler: Spezielle Prozessregler, die für bestimmte Anwendungsgebiete optimiert sind
Analogtechnik Analogsignale sind wert- und zeitkontinuierlich und weisen daher einen stufenlosen und beliebig feinen Verlauf auf. Die Grenzen der Signalauflösung sind durch parasitäre Signalrauschanteile gegeben. Bei Anwendung von Abschirmmaßnahmen und Signalfiltern lässt sich die Signalauflösung verbessern. Der Steuer- bzw. Regeleingriff erfolgt stetig ohne Verzögerung und ist damit auch für hoch-dynamische Regelkreise geeignet.
Analoge Regelungssysteme basieren meist auf Analogelektronik mit Operationsverstärkern und Analogmultiplizierern für die Grundrechenarten. Die Vorgabe der Führungsgröße und die Einstellwerte für den Regler wird meist durch Potentiometer realisiert. In seltenen Fällen werden auch pneumatische Regler verwendet.
Digitaltechnik