Regelung

Bei der Regelung wird anstelle der Störgrößen nur die Ausgangsgröße des Systems gemessen. Die zentrale Berechnungseinheit wird „Regler“ genannt. Sie berechnet aus dem Sollwert und der Ausgangsgröße die richtige Ansteuerung des Aktors. Wenn Störungen auf das System wirken, dann beeinflussen Sie immer die Ausgangsgröße. Deshalb ist es ausreichend, die Ausgangsgröße zu messen. Der allgemeine Regelkreis wird folgendermaßen modelliert:

Der Nutzer gibt den Sollwert der Ausgangsgröße als Führungsgröße vor. Die Ausgangsgröße wird gemessen. Als „Regelabweichung“ wird die Differenz aus Führungsgröße und Ausgangsgröße bezeichnet. Es gilt Regelabweichung = Führungsgröße – Ausgangsgröße. Sie ist ein Maß dafür, wie gut die Regelung funktioniert, also wie gut das Ziel Ausgangsgröße = Führungsgröße erreicht wird.
Wird das Ziel zu 100% erreicht, dann sind Ausgangsgröße und Führungsgröße gleich groß. Dann ist die Regelabweichung = 0. Ist die Ausgangsgröße zu hoch, dann ist die Regelabweichung negativ. Ist die Ausgangsgröße zu klein, dann ist die Regelabweichung positiv. Bei einer zu großen Ausgangsgröße liegt am Regler ein negativer Wert an. Der Regler steuert dann den Aktor weniger stark an. Dadurch sinkt die Ausgangsgröße. Je größer die Regelabweichung ist, desto stärker steuert der Regler dagegen, indem er den Aktor intensiver in die notwendige Richtung steuert. Dadurch hält sich das System selbst ohne äußeren Eingriff stabil. Was auch immer dafür sorgt, dass die Ausgangsgröße nicht mehr der Führungsgröße entspricht führt zu einer Regelabweichung. Diese wird vom Regler erfasst und er steuert so lange den Aktor an, bis die Regelabweichung verschwindet. Abweichungen zwischen Ausgangsgröße und Führungsgröße entstehen, wenn der Nutzer eine neue Führungsgröße vorgibt oder Störungen auf das System wirken.
Die Ausgangsgröße wird bei geregelten Systemen auch „Regelgröße“ genannt.

Beispiel: Geschwindigkeitsregelung:

Wird nach dem Schema des allgemeinen Regelkreises die Geschwindigkeitsregelung eines Autos modelliert, ersetzen wir allgemeine Blöcke und Signale durch spezifische Begriffe. Angenommen Sie wollen 80km/h schnell fahren. Dann beträgt die Führungsgröße Soll-Geschwindigkeit 80km/h. Das Auto fährt aber nur die Ist-Geschwindigkeit von 70km/h. Sie wird vom Tachometer gemessen und vom Sollwert subtrahiert. Damit ergibt sich die Differenz aus Sollgeschwindigkeit und Ist-Geschwindigkeit als Regelabweichung. Der Regler stellt das Gaspedal so, dass bei zu geringer Ist-Geschwindigkeit und damit positiver Regelabweichung stärker Gas gegeben wird. Damit steigt die Ist-Geschwindigkeit am Ausgang der Strecke. Das geschieht so lange, bis die Regelabweichung verschwindet.
Jetzt fährt das Auto einen Berg herunter und die Ist-Geschwindigkeit steigt zu stark an. Damit bekommen wir eine negative Regelabweichung aufgrund einer Störung. Der Regler reduziert jetzt den Stellwinkel am Gaspedal (eine digitale Größe im Steuergerät, keine echte Winkeländerung) und das Auto reduziert die Ist-Geschwindigkeit so lange, bis die Regelabweichung verschwindet.
Angenehm an geregelten Systemen ist die Tatsache, dass Sie das System nicht mehr vollständig berechnen müssen. Sie müssen nicht mehr wissen, welcher Gaspedalwinkel bei welcher Steigung „richtig“ ist. Es genügt, den Winkel blind so lange zu verstellen, bis die Regelabweichung verschwindet. Die Komplexität sinkt dadurch rapide. Es ist auch egal, welche Störgröße zu einer Abweichung der Ausgangsgröße führt, der Regler wird sie einfach kompensieren.

Zusammenfassung

Eine Regelung ist bei komplexen Systemen viel einfacher als eine Steuerung. Das gilt insbesondere bei Systemen mit vielen Störeinflüssen. Sie messen bei der Regelung die Ausgangsgröße und vergleichen Sie mit der Führungsgröße. Der Regler bewirkt autonom – also ohne äußeren Eingriff – dass die Regelabweichung verschwindet und damit das Ziel der Regelungstechnik erreicht wird: Es gilt Ausgangsgröße = Sollwert.
Alle Systeme werden auf die gleiche Weise nach dem Vorbild des allgemeinen Regelkreises geregelt. Üblicherweise belassen Sie bei der Regelung das System unverändert. Sie ergänzen nur die Messung, das Vergleichselement (Minus) und den Regler. Wenn Sie von BMW mit der Geschwindigkeitsregelung eines Autos beauftragt werden, dann können Sie auch nicht einfach den Motor ändern, weil das Ihrer Regelung vielleicht entgegenkommt. Aktor und Strecke sind also normalerweise unveränderlich vorgegeben. Sie können innerhalb der Struktur des Regelkreises nur den Block „Regler“ verändern. Dieser besteht üblicherweise aus einem Mikrocontroller mit viel Software.

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