Steuerung

Es werden zwei Verfahren unterschieden, wie das Ziel Ausgangswert = Sollwert erreicht werden kann: Steuerung und Regelung. Der Unterschied zwischen den Vorgehensweisen liegt in der Größe, die gemessen wird, und auf die der Eingang reagiert. Bei der Steuerung werden alle Störgrößen gemessen und die Eingangsgröße wird aufgrund dieser Messergebnisse verändert.
Es gibt in beiden Verfahren ein zentrales Element, das aufgrund der Messergebnisse das System ansteuert. Beim gesteuerten System wird es „Steuerung“ genannt.
Dies wird am Beispiel des Tanks beschrieben, dessen Füllstand einem Sollwert entsprechen soll. Wir nehmen für das Beispiel an, dass der Sollwert hsoll=1m entspricht. Die Störgröße beim Tank ist der Ablauf, über den Wasser abgezapft wird. Die Menge an Wasser, die aus dem Tank über den Ablauf herausfließt, wird bei der Steuerung gemessen. Um den Füllstand auf dem Sollwert zu halten wird einfach die gleiche Menge Wasser über den Zulauf wieder zugeführt.
Wenn der Sollwert von H=1m auf z. B. H=1,1m erhöht wird, muss das System wissen, wie es darauf reagieren muss. Dafür muss bei der Steuerung ein vollständiges Berechnungsmodell mit allen dafür notwendigen Formeln hinterlegt werden. Ist die Grundfläche A des Tanks bekannt (z. B. A=1m2), dann kann die notwendige Volumenänderung des Wassers berechnet werden. Es gilt


Volumenänderung dV = Fläche A ∙ Füllstandsänderung dH

Es muss ein Wasservolumen von dV=1m2∙0,1m=0,1m3 hinzugefügt werden. Der Zulaufhahn wird also so lange offengelassen, bis diese Menge in den Tank geflossen ist. Die Dauer kann über die Fläche des Zulaufs bestimmt werden.
Die notwendigen Berechnungen in einem gesteuerten System können sehr kompliziert werden. Sie werden im Block „Steuerung“ durchgeführt, der aus den Störgrößen die richtige Ansteuerung des Aktors berechnet. In diesem Beispiel war das Ausgleichen der Störgröße relativ einfach, das Nachführen der Ausgangsgröße bei Änderung des Sollwerts relativ kompliziert. Folgendes Blockschaltbild modelliert die Aufgabe:

Der Sollwert „Soll-Füllstand“ gibt den Wunsch des Nutzers für die Ausgangsgröße vor. Er ist eine Eingangsgröße für die „Steuerung“. Diese berechnet aus dem Sollwert und der gemessenen Störgröße „Ablauf“ den richtigen Stellwinkel für den Aktor „Ventil“. Das Ventil gibt den Zulauf an Wasser für den Tank vor. Der Füllstand des Tanks wird von Zulauf und Ablauf vorgegeben.

Beim Tempomaten ist die Steuerung noch viel komplizierter. Zur Erinnerung: Es werden bei der Steuerung alle Störgrößen gemessen und damit wird die Eingangsgröße so verändert, dass die Ausgangsgröße weiterhin gleich dem Sollwert bleibt.
Für dieses Beispiel nehmen wir an, dass ein Auto 80 km/h schnell fahren soll. Es fährt auch auf gerader Strecke genau 80km/h. Die Störgrößen bei der Vorgabe der Geschwindigkeit im Auto sind vor allem Steigung und Gegenwind. Konzentrieren wir uns auf die Steigung. Jetzt fährt das Auto einen Berg hoch. Sie messen als Störgröße (wie auch immer) die Steigung des Bergs. Die Steuerung muss jetzt wissen, wie das Gaspedal als Eingangsgröße verstellt werden muss, damit die Ausgangsgröße Geschwindigkeit immer noch 80 km/h beträgt.

Dafür müsste die Steuerung die Bremswirkung durch die Steigung, den Motor, das Getriebe, die Kraftübertragung an den Reifen etc. als Formeln kennen. Das ist in der Praxis unmöglich. Es ist auch nicht notwendig, denn in solchen Fällen wird statt der Steuerung eine Regelung eingesetzt. Das Blockschaltbild der Steuerung muss noch um die Messung aller weiteren Störgrößen erweitert werden. Darauf wird hier verzichtet.

Zusammenfassung

Bei einer Steuerung werden alle Störgrößen gemessen. Die Messergebnisse werden von einem Steuergerät erfasst. Allgemein wird der Sollwert auch als „Führungsgröße“ bezeichnet. Die Steuerung errechnet aus Führungsgröße und allen gemessenen Störgrößen die Ansteuerung des Aktors, mit der Ausgangsgröße = Führungsgröße erreicht wird. Allgemein werden gesteuerte Systeme folgendermaßen modelliert:

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