Was ist Regelungstechnik

Das wesentliche Merkmal, das die Steuer- und Regelungstechnik voneinander unterscheidet, ist der Regelkreistyp. Während man bei der Steuerungstechnik von einem offenen Regelkreis spricht, so bezeichnet man das Arbeiten eines Systems, das sich mit Hilfe von Feedbackschleifen selbst reguliert, als geschlossenen Regelkreis. Dieser reagiert auch auf Störgrößen, also unvorhergesehene, externe Einflüsse, die auf den Prozess unerwünschte Auswirkungen haben. 

In der Steuerungstechnik werden vordefinierte Aktionen automatisch ausgeführt, es gibt jedoch keinen Abgleich mit einem Sollwert und bei einer Abweichung davon keine selbständig ausgelösten Maßnahmen. Somit gibt es hier auch keine Reaktion auf Störgrößen. In der Regelungstechnik dagegen findet ein permanenter Abgleich zwischen Ist- und Sollwert statt. Die Abweichung wird zurückgemeldet und vom System so weit wie möglich korrigiert.

Die Entscheidung, ob ein Vorgang durch Steuer- oder Regelungstechnik betrieben wird, hängt vor allem von spezifischen Prozessanforderungen ab, wie Präzision, Kosten, Komplexität und Störanfälligkeit des Systems.

Der Unterschied zwischen Steuer- und Regelungstechnik lässt sich gut an folgendem Beispiel erläutern:

Ein Tor oder eine Schranke, die zu vorab festgelegten Zeiten öffnet oder schließt, unabhängig davon, ob sich ein Fahrzeug oder Hindernis im Einzugsbereich befindet, wird lediglich gesteuert.

Reagiert dieses Tor jedoch nur dann, wenn ein Fahrzeug sich nähert und bleibt nur für die Dauer des Durchfahrens geöffnet, so greift die Regelungstechnik. Die Regelstrecke (in diesem Fall der Einzugsbereich) wird also ständig durch Sensoren überwacht, der Zustand (“Fahrzeug/ kein Fahrzeug”) an den Regler zurückgemeldet und daraus resultierend Aktionen ausgelöst (“Tor auf”, “Tor zu” oder “Achtung, Tor nicht weiter schließen” wenn sich das Fahrzeug noch dazwischen befindet).

Weitere Beispiele für den Einsatz der Regelungstechnik sind Thermostate, die die Raumtemperatur messen und die Heizleistung anpassen, um die gewünschte Temperatur zu halten oder das Regulieren der Luftfeuchtigkeit in bestimmten Umgebungen.

Von HeinrichKü - Eigenes Werk (Originaltext: Selbst gezeichnet), CC BY-SA 3.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=47488499

Intelligente Technologien, die auf KI, maschinellem Lernen und Big Data basieren, ermöglichen eine neue Dimension in der Anwendung von Regelungstechnik. Systeme sind fortschreitend selbstlernender und erschließen eine moderne Präzision, Effizienz und Flexibilität von Produktionssystemen. Beispiele für Anwendungen der Regelungstechnik im Rahmen der Industrie 4.0 sind:

• der digitale Zwilling: Digitale Zwillinge sind virtuelle Abbilder physischer Systeme, die Simulationen und Echtzeitüberwachung ermöglichen. Ein digitaler Zwilling einer Produktionslinie kann in Echtzeit den Prozess überwachen und Regelstrategien simulieren, bevor sie in der realen Umgebung implementiert werden.
• das Internet of Things (IoT:) IoT-Geräte ermöglichen die Vernetzung von Maschinen und Anlagen, wodurch Daten kontinuierlich gesammelt und ausgetauscht werden können. Vernetzte Sensoren erfassen Umgebungsbedingungen und Maschinenzustände und ermöglichen eine dynamische Anpassung und Regelung von Produktionsparametern.
• Dezentrale Intelligenz und Edge Computing: Durch Edge Computing können Daten direkt an der Quelle (an der Maschine oder Anlage) verarbeitet werden, was die Reaktionszeit und Effizienz signifikant verbessert. Ein lokaler Regler analysiert und verarbeitet Sensordaten in Echtzeit, um schnelle Anpassungen vorzunehmen, ohne auf eine zentrale Datenverarbeitung angewiesen zu sein.

Die Regelungstechnik setzt sich aus seinen Hauptkomponenten sowie den typischen Konzepten zusammen, die sich im Kern - dem Regelkreis- wiederfinden.

Zu den Hauptkomponenten zählen:

• die Regelstrecke: der Teil des Systems, der überwacht und gesteuert werden soll
• die Sensoren: Geräte, die den Zustand der zu regelnden Parameter überwachen und an den Regler weitergeben
• der Regler: die Einheit oder Software, die Soll- und Istwert miteinander vergleicht und Korrekturmaßnahmen berechnet
• die Stellglieder: die Stellglieder werden auch Aktoren genannt, sie nehmen die physikalischen Anpassungen vor, basierend auf den Anweisungen des Reglers. Aktoren können beispielsweise Pumpen, Ventile oder Heizgeräte sein.

Als wichtige Konzepte in der Regelungstechnik zählen die Feedbackschleife, die Stabilität und die angewandte Regelstrategie.

Die Stabilität gibt Auskunft über die Fähigkeit des Systems, nach einer Störung wieder in einen geregelten Zustand zu gelangen. Bei der Regelstrategie handelt es sich um die Art und Weise, wie Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden. Es wird unterschieden zwischen P-, I-, D- und PID-Regelung bzw. -Korrektur:

• Die proportionale Korrektur (P-Anteil): Die proportionale Korrektur wirkt unmittelbar auf die Abweichung von Ist- und Sollwert ein und ist somit die einfachste Form der Korrektur. Sollten keine weiteren Maßnahmen erfolgen, besteht allerdings die Möglichkeit einer dauerhaften stationären Abweichung des Parameters.
• Die integrale Korrektur (I-Anteil): Bei der integralen Korrektur dagegen wird eine Summe der Fehler über einen bestimmten (Mess-)Zeitraum gebildet und daraus kontinuierlich eine Korrekturmaßnahme abgeleitet.
• Die differenziale Korrektur (D-Anteil): hier reagiert der Regler auf die Geschwindigkeit, mit der sich der Fehler ändert (also seine Änderungsrate) und nicht auf den Fehler selbst. Vorteil ist eine schnelle Reaktion auf kleinste Abweichungen, es besteht aber auch die Gefahr der Überregulation durch zu schnell und häufig veranlasste Änderungen der Stellgröße.
• Die PID-Korrektur (Anteile aller vorangegangenen Korrekturen): Die PID-Korrektur vereint alle Vorteile der proportionalen, integralen und differenzialen Regelung. Sie ist in der Industrie am häufigsten anzutreffen, bedarf jedoch einer sehr genauen Abstimmung und ist damit am aufwändigsten.

Moderne Entwicklungstools inklusive Single-Board Computer ermöglichen eine präzise und individuelle Modellierung und Analyse von Regelkreisen. 

Die Regelungstechnik ist fortwährend um die Entwicklung robuster und optimierter Systeme bemüht, was durch die Integration von Echtzeitdaten und maschinellem Lernen zu intelligenten und immer autonomer arbeitenden Lösungen führt, die in der Industrie 4.0 ihre Anwendung finden. Ein konkretes Beispiel hierfür ist der Industrieroboter, der selbständig monotone und gefährliche Arbeiten übernimmt.

Kosten können durch verkürzte Entwicklungszeiten gesenkt werden, immer häufiger kann die Herstellung von Prototypen durch den Einsatz von Simulation entfallen.

In der Regelungstechnik wird eine Vielzahl von Entwicklungstools eingesetzt, um den Entwurf, die Simulation, die Analyse und die Implementierung von Regelungssystemen zu unterstützen. Als Beispiel seien MATLAB, LabVIEW oder dSPACE genannt.

Informieren Sie sich gerne über verwandte Technologie oder Produkte in unseren Leitfäden zur Prozessautomatisierung, die Integration von SPS-Steuerungen oder die Steuerungstechnik in der Industrie allgemein.