Die Regelstrecke

Die Regelstrecke stellt den zu regelnden Teil bzw. den zu regelnden Prozess dar und umfasst häufig eine Reihe von einzelnen Gliedern, die die Regelstrecke beschreiben. Die Glieder werden entsprechend ihrem Zeitverhalten charakterisiert. Um das Zeitverhalten herauszufinden, legt man an den Eingang der Regelstrecke ein Testsignal an und zeichnet die Antwort auf. Im einfachsten Fall wird der Eingang mit einer sprunghaften Änderung beaufschlagt. Die Antwort auf die sprunghafte Änderung der Eingangsgröße wird Sprungantwort genannt und gibt Aufschluss über die Art (Charakteristik) der Regelstrecke. Sie kann eventuell bereits genutzt werden, um die Parameter der Regelstrecke zu bestimmen.

Für den Aufbau eines gut funktionierenden Regelkreises und die Auslegung von Reglern ist es eine Voraussetzung zu wissen, wie die Regelstrecke reagiert. Ohne ein genaues Wissen um das dynamische Verhalten der Regelstrecke ist es nicht möglich geeignete Regler auszuwählen und diese entsprechend zu parametrieren, um einen stabil arbeitenden Regelkreis zu konfigurieren.

Die wichtigsten dynamischen Grundelemente zur Charakterisierung der Regelstrecke sind nachfolgend aufgelistet. Jedes Element wird mit einem Block dargestellt und darin durch ein Symbol gekennzeichnet. Die Sprungantwort ist ein genormtes Beispiel. Andere existente Zeitverhalten sind Kombinationen aus diesen Grundelementen.

Proportionalglied (P-Glied)

Dies ist die einfachste Art einer Regelstrecke, die Ausgangsantwort ist proportional zur Eingangsfunktion. Beispiele hierfür sind Hebel, Getriebe, Verstärker oder Spannungsteiler.

Integrator (I-Glied)

Abb. 2: I-Glied, Quelle: s. Abbildungsverzeichnis

Strecke ohne Ausgleich, also erhöht sich mit fortlaufender Zeit die Größe der Regelstrecke immer weiter. Dieser Anteil ist häufig in Regelstrecken vorhanden. Beispiele sind, idealisiert gesehen, die Beschleunigung mit Auswirkung auf die Geschwindigkeit und somit den Weg (ohne Effekte wie den Luftwiderstand, Reibung, etc.) oder ein abgeschlossenes, unendlich großes Gefäß, dass mit einer Flüssigkeit gefüllt wird.

Verzögerungsglied 0. Ordnung (Totzeitglied)

Abb. 3: Totzeitglied, Quelle: s. Abbildungsverzeichnis

Entsteht zum Beispiel durch Laufzeiten von Material oder Signalen. Je größer die Verzögerungszeit einer Regelstrecke ist, um so schwieriger ist sie zu regeln. Dies erklärt sich dadurch, dass getätigte Änderungen der Stellgröße erst spät Auswirkungen auf die Größe der Regelstrecke haben und sich in dieser Zeit die Störung schon wieder verändert haben kann. Beispiele sind Förderbänder, Rechenzeit und Analog/Digital-Wandler.

Verzögerungsglied 1. Ordnung (PT1-Glied)

Abb. 4: PT1-Glied, Quelle: s. Abbildungsverzeichnis

Das Verhalten vieler einfacher Regelstrecken kann näherungsweise damit beschrieben werden. Es ist ein P-Glied mit nicht vernachlässigbarem Zeitverhalten. Beispiele sind ein idealisierter Gleichstrommotor, bei dem die Erhöhung der Spannung eine Drehzahlerhöhung verursacht und ein RC-Glied, bei dem die Kondensatorspannung durch den Strom steigt (geschieht alles mit einer gewissen Zeitverzögerung).

Verzögerungsglied 2. Ordnung (PT2-Glied)

Hier wird zwischen schwingungsfähigem und nicht schwingungsfähigem PT2-Glied unterschieden. Die Charakterisierung erfolgt über die Parameter Dämpfung D und Eckfrequenz w₀ oder die Zeitkonstanten T₁ und T₂ . Bei einer Dämpfung D < 1 ist das PT2-Glied schwingungsfähig.

Schwingungsfähiges PT2-Glied:

Abb. 5: PT2-Glied, Quelle: s. Abbildungsverzeichnis

Beispiele sind ein mechanischer Schwinger (Feder-Masse-System) und ein elektrischer Schwingkreis (RLC-Schwingkreis).

Nicht schwingungsfähiges PT2-Glied:

Beispiele sind zwei hintereinandergeschaltete PT1-Glieder oder ein Gleichstrommotor, bei dem eine Spannungserhöhung eine Drehzahlerhöhung verursacht, diesmal mit berücksichtigter Induktivität.