Der Regler

Der Regler hat die Aufgabe die Regelgröße zu messen und sie mit dem Sollwert zu vergleichen. Bei Abweichungen muss die Stellgröße so verändert werden, dass Soll- und Istwert der Regelgröße wieder übereinstimmen bzw. die Differenz minimal wird.

Die Wahl eines bestimmten Reglertyps richtet sich nach dem geforderten Zeitverhalten und der geforderten Regelgenauigkeit der Regelstrecke. Nachfolgend sind die wichtigsten klassischen Reglertypen dargestellt:

P-Regler

Der proportionalwirkende Regler multipliziert die Regelabweichung mit seinem Verstärkungsfaktor K_p und gibt das Ergebnis unverzögert weiter. Der P-geregelte Regelkreis ist einfach und mittelschnell im Vergleich zu anderen Regelungen. Das Problem ist die bleibende Regelabweichung, da der Verstärkungsfaktor für einen sinnvollen Betrieb nicht zu hoch sein darf (mit einem K_p von 100 würde der Regler bei einer anfänglichen Abweichung viel zu weit über die Sollgröße hinausregeln), aber deshalb werden kleine Abweichungen nicht mehr genügend ausgeregelt. Eine bleibende Regelabweichung ist hier unvermeidbar.

Abb. 1: P-Regler, Quelle: s. Abbildungsverzeichnis

I-Regler

Der integralwirkende Regler summiert die Regelabweichung über die Zeit auf und multipliziert die Summe (also das Integral) mit dem Faktor K_i. Je länger eine Regelabweichung besteht, desto größer wird die Stellgröße des I-Reglers. Der I-geregelte Kreis ist langsam im Vergleich zu anderen Regelungen. Er hat aber den Vorteil, dass Regelabweichungen vollständig eliminiert werden.

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

PI-Regler

Der PI-Regler ist die Kombination aus P- und I-Regler und kombiniert den Vorteil des P-Reglers, nämlich eine schnelle Reaktion, mit dem Vorteil des I-Reglers, einer exakten Ausregelung ohne eine bleibende Regelabweichung. Der PI-geregelte Kreis ist also genau und mittelschnell.

Abb. 3: PI-Regler, Quelle: s. Abbildungsverzeichnis

PD-Regler

Der proportional-differential wirkende Regler kombiniert den P-Regler mit einem D-Anteil. Der D-Anteil bewertet die Änderung einer Regelabweichung (er differenziert) und berechnet so deren Änderungsgeschwindigkeit. Diese wird mit dem Faktor Kd multipliziert und zum P-Anteil hinzuaddiert. Der PD-Regler reagiert damit schon auf Ankündigungen von Veränderungen, das bewirkt sozusagen ein Vorhalten beim Regeln.

Der PD-geregelte Kreis ist sehr schnell im Vergleich zu anderen Regelungen. Das Problem der proportionalen Regler, die bleibende Regelabweichung, ist beim PD-Regler allerdings weiterhin vorhanden.

Ein Nachteil aller Regler mit D-Anteil kann die Unruhe im Kreis sein, die verstärkt wird, falls das Sensorsignal verrauscht ist. Dieses Rauschen wird durch die Differentiation weiter verstärkt und wieder zurück in den Kreis hineingegeben. Dadurch wird das Stellglied (Wandler des elektrischen Signals in eine physikalische Größe) stärker belastet. Macht der Regler insbesondere sehr hohe Ausschläge als Folge von schnellen Änderungen des Sollwertes, kann es sein, dass das Stellglied diese nicht umsetzen kann. Die Wirkung des D-Anteils würde dann durch die physikalische Begrenzung verpuffen, und das Einschwingverhalten wäre nicht wie berechnet, sondern meist langsamer. Dies gilt aber nur für große Sprünge, bei normalen kleinen Regelvorgängen zum Ausgleich von Störeinflüssen wirkt der D-Anteil wie beabsichtigt.

Abb. 4: PD-Regler, Quelle: s. Abbildungsverzeichnis

PID-Regler

Der PID-Regler ist der universellste der klassischen Regler und vereinigt die guten Eigenschaften der anderen Regler. Die Beschreibung der Eigenschaften des P-, I- und D-Anteils wurde oben schon vorgenommen. Der PID-geregelte Kreis ist genau und sehr schnell, deshalb wird er bevorzugt in den meisten Anwendungen eingesetzt.

Abb. 5: PID-Regler, Quelle: s. Abbildungsverzeichnis

Es gibt zwei Darstellungsmöglichkeiten, die inhaltlich identisch sind. In der analogen Regeltechnik ist noch die Darstellung mit der Nachstellzeit T_n und der Vorhaltezeit T_v üblich.