Steuerung und Regelung, Automatisierung

Regelungstechnik -> Lehre von der gezielten Beeinflussung dynamischer Systeme

Regelungstechnik:
Soll die Regelgröße einen von uns bestimmten Wert annehmen, so kann dies durch die Beeinflussung über die Stellgröße geschehen: per Steuerung oder per Regelung.

Steuerung
Eine oder mehrere Eingangsgrößen in einem System beeinflussen andere Größen, die Ausgangsgrößen. Die Beeinflussung ist von den Gesetzmäßigkeiten des Systems abhängig.

Beispiel Heizkörper mit einfachem Ventil: Stellen Sie sich einen Raum mit einem Fenster vor. Jetzt möchten Sie in dem Raum z.B. 20 Grad haben. Sie stellen das Heizungsventil auf "mittlere Leistung", was bei einem geschlossenem Fenster 20 Grad entspricht. Wenn Sie allerdings jetzt das Fenster zum Lüften öffnen, wird die Heizleistung nicht verändert, weil dieses System aufgrund der fehlenden Rückkopplung nicht mitbekommt, dass es kälter geworden ist. In der DDR gab es damals in Neubauwohnungen kaum Thermostate (Regler), so dass das Fenster zum Steuern der Raumtemperatur geöffnet wurde.

Animation zum Steuern

 

Bei einer Regelung liegt ein geschlossener Kreislauf vor (sog. Regelkreis).
- Die Ausgangsgröße wird gemessen,
- der ermittelte Wert wird an einen Regler zurückgeführt,
- der Regler ermittelt die Differenz aus dem Sollwert
- und der Messung und gibt einen Stellwert aus.
- Die Differenz wird auf den kleinstmöglichen Wert gebracht. Dabei wirkt die Korrektur durch den Regelkreis der Abweichung entgegen.


Beispiel Heizkörper mit Thermostat: Stellen Sie sich einen Raum mit einem Fenster vor. Jetzt möchten Sie in dem Raum z.B. 20 Grad haben. Wenn Sie jetzt das Fenster zum Lüften öffnen und die Temperatur nach kurzer Zeit auf 19 Grad fällt, wird der Regler aufgrund der Differenz von 1 Grad automatisch nachregeln. Nach kurzer Zeit wird dann wieder die 20 Grad Solltemperatur.
Regelung des Pupillenreflexes
Beispiel Klimaanlage


Beispiel Körpertemperatur: Von den Wärme- und Kälterezeptoren auf der Haut gehen Signale an den Hypothalamus, wo sich als zwei Gruppen von Neuronen befinden, die empfindlich auf Temperaturabweichungen reagieren, die einen auf Kälte, die anderen auf Wärme. Ändert sich die Temperatur, werden die beteiligten Strukturen proportional entsprechend zur Wärmeabgabe oder Wärmeerzeugung angeregt. (negative Rückkoppelung)
Beispiel Lernen: Wenn das Lernen Erfolg bringt (positive Kursarbeit ;-)) ist der Schüler motiviert, noch mehr zu lernen (positive = verstärkende Rückkopplung). Bei negativem Ergebnis: negative Rückkoppelung)
Beispiel CPU-Lüfter: Wird die CPU (Prozessor) im Computer zu heiß, fällt das System aus. deshalb wird die Temperatur geregelt. Beim Notebook springt nach einer gewissen Zeit dann der Lüfter an, was am Geräusch zu vernehmen ist.
Beispiel Trafo: Hier wird die Sekundärspannung geregelt, zum Beispiel 12V
Beispiel Motor: Regelung der Drehzahl und des Drehmomentes elektrischer Maschinen

Animation zum Regeln



Auf die (nachteilige) Trägheit der Elemente des Regelkreises wird hier nicht weiter eingegangen.

 

Aufgabe a) Informieren Sie sich zuerst hier:  und hier

Aufgabe b) Erläutern Sie den Unterschied zwischen Steuern und Regeln an einem Beispiel!

Aufgabe c) Waschautomat: Listen Sie die Vorgänge dazu auf!

Aufgabe d) Regelung des Pegelstandes in einer 3-Tank-Anlage

Aufgabe e) Quiz

Vom Hantieren zum Automatisieren

Bestrebungen zur Automatisierung in der Geschichte

- antike atomat. Türöffnung Überlegen Sie sich eine Einsatzvariante für diese Konstruktion!
- Lampe des Philon von Byzanz
- Schreibpuppe des Pierre Jaquet-Droz , Video , Funktionsweise - Video
- Orgelspielerin des Pierre Jaquet-Droz - Video
- chinesischer Magier - Video
- Joueuse de Tympanon - Video
- Nachbildung einer Hand in der Prothetik
  Hier eine andere Prothese, bei der die Ansteuerung besonders deutlich wird - Video
- Roboter oder Mensch? Video 1 , Video 2 , Video 3 (Aiko)

Weshalb wird eigentlich automatisiert?

- Kostensenkung
- Unabhängigkeit des Produktes von der Tagesform des Menschen ("Montagsautos")
- Qualitätserhöhung (durch z. Bsp. feinere Werkzeuge, die ein Mensch nicht mehr bedienen könnte)
- Entlastung von körperlich schwerer Arbeit
- Befreiung von gesundheitsgefährdenden Arbeitsschritten

 

Übersicht: Durchführung von Prozessen