Angewandte Regelungs- und Automatisierungstechnik

In diesem Kapitel sind die Grundgedanken der Regelungs- und Automatisierungstechnik mit verschiedenen technischen und nicht-technischen Beispielen vorgestellt. Wichtige Begriffe sind zudem definiert und erläutert. Beispielsweise wird der Unterschied zwischen einem Regler und einer Regelstrecke beschrieben. Des Weiteren ist es sehr wichtig, eine genaue Zielstellung festzulegen, was mit der Technik erreicht werden soll. Ebenso ist ein geeignetes Maß zu finden, wie eine Regelung bewertet werden kann. Verschiedene Gütemaße werden dazu in diesem Kapitel aufgezeigt. Zahlreiche Beispiele aus dem Maschinen- und Anlagenbau runden den Einstieg in die Automatisierungstechnik ab.

Um einen Prozess zu automatisieren, ist ein Aktor als Antrieb notwendig. In der Industriepraxis gibt es dazu drei unterschiedliche Antriebstechnologien: Elektromechanik, Hydraulik und Pneumatik, wobei die beiden letztgenannten als Fluidtechnik zusammengefasst werden können. Die Elektromechanik unterscheidet sich grundlegend von der Fluidtechnik, u. a. in Dynamik, Kraftdichte, Regelbarkeit und Energieeffizienz. Die Technologien werden in diesem Kapitel kompakt vorgestellt. Des Weiteren sind Sensoren elementar wichtig für eine Regelung, weil sie einen Istwert zurückführen. Ausgewählte Sensorprinzipien werden hier vorgestellt. Viele weitere Themen der Automatisierung sind u. a. in [95, 114, 117, 122] gezeigt.

Ein technisches Modell bildet die wesentlichen Aspekte eines realen Systems ab. Das Modell kann ein physisches oder ein mathematisches Modell sein. Ein physisches Modell ist der Nachbau einer Anlage. Bereits mit einem Meterstab als physisches Modell lassen sich beispielsweise Schwingungsphänomene realer Systeme nachbilden. Weitere Beispiele physischer Modelle sind Laboranlagen, mit denen bestimmte Untersuchungen durchgeführt werden, z. B. werden auf einer Labor- und Test-Presse die Fertigung neuer Werkstücke erprobt. Die dabei gewonnene Erkenntnis wird dann auf den Serien-Prozess mit den Serien-Anlagen angewandt. Mathematische Modelle können auf Basis physikalischer Gesetze entworfen werden, u. a. mit den Kirchhoff’schen Gesetzen oder mit Kräftebilanzen, wie in diesem Abschnitt gezeigt wird. Auch die mathematischen Modelle enthalten die wesentlichen Aspekte, um ein reales System zu beschreiben. Beispielsweise werden damit ebenso Schwingungsphänomene von Anlagen beschrieben. Anhand der Modelle lassen sich Schlussfolgerungen ziehen, z. B. wie ein System gedämpft wird oder wie Schwingungsfrequenzen angehoben werden, damit es in der Praxis zu keinen Schwingungen mehr kommt. Anhand mathematischer Modelle lassen sich System-Optimierungen erkennen, und – wie später noch gezeigt wird – Regler optimiert entwerfen. Die Modelle sind als Differentialgleichungen (DGL) abgebildet. Gelöst werden Differentialgleichungen im Zeitbereich oder im Bild- bzw. Frequenzbereich mit Hilfe der Laplace-Transformation. Eine weitere Art von Modellen sind numerische Modelle wie Simulationen, die auf mathematischen Modellen basieren. Darüber hinaus wird in diesem Abschnitt gezeigt, was typische Anregungsfunktionen für solche Systeme sind, und wie das dynamische Systemverhalten grafisch dargestellt werden kann.

In diesem Kapitel werden typische Übertragungsfunktionen vorgestellt, mit denen viele lineare „Standard“-Regelstrecken beschrieben werden, siehe Abschn. 4.1. Diese Regelstrecken sind in der Industriepraxis häufig anzutreffen, wie z. B. bei Werkzeugmaschinen, Robotern, fahrerlose Transportsysteme. Die Regelstrecke ist eine Anlage oder eine Maschine bzw. allgemein ein technisches System, das eine bestimmte Aufgabe erfüllen soll, z. B. das Erreichen einer bestimmten Position des Roboter-Endeffektors oder des Meißels einer Drehmaschine. Wenn ein Regler für solche Anlagen entworfen werden soll, so ist die Voraussetzung, dass das Anlagenverhalten hinreichend gut bekannt ist. Die Beschreibung des Anlagenverhaltens erfolgt hier anhand der Übertragungsfunktionen, z. B. das Anfahrverhalten, um eine Geschwindigkeit aufzubauen (P-T\(_1\)) oder das Schwingungsverhalten (P-T\(_2\)). Das reale Anlagen-Verhalten wird somit durch die Übertragungsfunktion identifiziert. Damit werden auch wichtige Anlagen-Parameter erfasst, die das Verhalten charakterisieren, wie z. B. Zeitkonstanten oder Eigenfrequenzen. In diesem Kapitel werden auch die Grundlagen aufgezeigt, wie diese Parameter für die Praxis interpretiert werden, z. B. was geeignete Werte für Eigenfrequenzen sind. Es wird aber auch das Verhalten von Reglern mit Übertragungsfunktionen beschrieben, siehe Abschn. 4.2. Die zugrunde liegende Mathematik ist für Regler und Strecke die gleiche. Allerdings gibt es Übertragungsfunktionen, die nur zur Beschreibung von Regelstrecken angewendet werden, wie z. B. schwingungsfähige P-T\(_2\)-Glieder, und es gibt Übertragungsfunktionen, die nur für einen Regler Anwendung finden, z. B. PID. Daher sind die Anwendungen der Übertragungsfunktionen für Regelstrecken (Abschn. 4.1) und Regler (Abschn. 4.2) in separaten Abschnitten gezeigt. Allerdings gibt es auch Überschneidungen, also Übertragungsfunktionen, die sowohl bei Strecken als auch bei Reglern vorkommen, z. B. I-Glied bzw. I-Regler. Daher gibt es aus mathematischer Sicht keine Trennung zwischen den beiden Abschnitten. Aus Sicht der Anwendung sind die beiden Abschnitte aber zu trennen, da ein Regler und eine Regelstrecke zwei komplett unterschiedliche Systeme mit unterschiedlichen Aufgaben sind.

In den vorherigen Kapiteln sind im Wesentlichen einzelne Aspekte und Teilsysteme einer Anlage betrachtet worden, z. B. Funktionsweise von Sensoren für die Rückführung von Signalen, dynamisches Verhalten von Regelstrecken wie das Anfahren mit einem Elektromotor. In diesem Kapitel sind die Teilsysteme zu einem Regelkreis zusammen geschaltet. Auswirkungen von Parametern auf den gesamten Regelkreises werden aufgezeigt. Dazu wird der Regler beschrieben und seine Wirkung auf den Regelkreis untersucht. Eine sehr wichtige Untersuchung ist Stabilität des Regelkreises. Damit wird eine Antwort gefunden, welche Regler-Parameter überhaupt eingestellt werden dürfen, damit der Regelkreis stabil ist. Weitere Funktionen eines Regelkreises sind Schnelligkeit und Dämpfung, die mit dem Regler beeinflusst werden können, was ebenso gezeigt wird. Hierzu werden ausgewählte Methoden demonstriert, wie z. B. pragmatische und heuristische Reglereinstellungen oder Optimierungskriterien.

In Kap. 5 wurden „klassische“ Methoden gezeigt, um einen einschleifigen Standard-Regelkreis auszulegen. In diesem Kapitel sind Erweiterungen des einschleifigen Regelkreises vorgestellt, um die Regelung zu verbessern. Verbesserungen sind beispielsweise die bessere Ausnutzung der Stellgrößen durch Aufschaltungen, um die Dynamik zu erhöhen. Des Weiteren sind typische Industriebeispiele geregelter Anlagen gezeigt, wie sie vom Prinzip her geregelt werden können. Die Lösungen sind hier lediglich exemplarisch gezeigt, zumal sehr gut eingestellte Regelungen spezifisch für die jeweiligen Anlagen ausgelegt sind. Ein weiterer Teil in diesem Kapitel ist die Optimierung der Regelstrecke. Damit werden Anleitungen für die Projektierungs- und Konstruktionsphase gegeben, um eine Anlage im Hinblick auf die Regelung optimiert zu konzeptionieren. Beispielsweise kann durch konstruktive Maßnahmen mitunter die Eigenfrequenz einer Anlage vergrößert werden, und damit sind sie einfacher bzw. besser zu regeln.

Beispiele: Das Greifen eines Gegenstandes (die Finger, die Hand, der Arm werden dabei jeweils positionsgeregelt); das Abstellen eines Gegenstandes, z. B. ein Topf auf eine Herdplatte; das Aufsetzen der Füße beim Gehen; eine Katze, die eine Beute jagt, (es ist die Position der Beute zu erreichen; wenn sich die Beute bewegt, dann ist es eine sog. Folgeregelung, das Erreichen eines Fressnapfes ist eine sog. Festwertregelung); die Position der Augen beim Betrachten eines Objektes wird geregelt, (ein Huhn kann beispielsweise die Augen nicht bzw. nicht gut bewegen, so muss der Kopf positioniert werden; der Vergleich mit anderen Lebewesen zeigt anschaulich, dass auch die „Konstruktion der Anlage“ Einfluss auf das geregelte Ergebnis hat); das Nachführen einer Solarmoduls/-anlage je nach Sonnenstand oder eines Teleskops zum Ausgleich der Erdrotation oder einer Rotor-Windkraftanlage zur Windrichtung, das Fahren eines Autos auf der rechten Straßenseite, (damit ist die Position links-rechts auf der Straße gemeint, nicht die Geschwindigkeit in Fahrtrichtung), Anfahren eines Stockwerks mit einem Aufzug, Wasser-Füllhöhe in einem Toiletten-Spülkasten, das Anhalten einer Spielzeug- oder realen Lokomotive im Bahnhof, ...

Keine Positionsregelung und auch keine Regelung ist das Anfahren gegen einen Festanschlag oder gegen einen Endschalter, z. B. bei motorgetriebenen Rollläden.