Steuerungs- und Regelungstechnik (1): Praktische Beispiele 06.11.2012, 12:40

Inhalt: Viele maschinelle Abläufe sind so vielschichtig, dass sie einer wohlüberlegten Regelung bedürfen, soll ein sicheres Arbeiten der oft sehr teueren Maschinen, Fahrzeuge usw. gewähr­leistet sein. In diesem Beitrag arbeiten wir die Unterschiede zwischen »Steuern« und »Regeln« und dazugehörige Fachbegriffe heraus. Der Stoff wird an praktischen Beispielen vertieft. Mit Zeichnungsvorschlägen für Arbeitsblätter.

Steuerungs- und Regelungstechnik (1)

Grundsätzliches

Das Steuern und das Regeln sind Vorgänge, die im täglichen Leben eine wichtige Rolle spielen. In Zeiten einfacher technischer Systeme waren sie lange Zeit selbstverständliche Aufgabe des Menschen; je komplizierter technische Abläufe aber wurden, desto häufiger wurden Steuer- und Regelvorgänge den Maschinen und Geräten selbst übertragen.
Ein Beispiel: Wenn in einer Maschine wie einem Bagger Verbrennungsmotor und Hydraulikpumpen zusammen­arbeiten, dann liegt es im Interesse einer langen Lebensdauer der Baugruppen, insbesondere aber des Motors, dass er nicht dauernd an seiner Leis­tungsgrenze arbeitet. Dies lässt sich vermeiden, wenn bei den jeweiligen Maschinenbewegungen von der Pumpe nie mehr Leistung verlangt wird als der Motor erzeugen kann. Sollte die Gefahr dennoch bestehen, muss die Pumpe rechtzeitig zurück­geregelt werden. Würde diese Arbeit der Baggerfahrer übernehmen, könnte er es nur über sein Gehör tun. Bemerkt er, dass bei Belastung die Motordrehzahl abfällt, geht er vom Gas weg oder er fährt mit dem Baggerlöffel weniger tief in das Erdreich hinein. Der Mikrocomputer, der ihm das Regeln abnimmt, merkt durch eine Vielzahl von Informationen schneller und verlässlicher, wann die Leistungsgrenze erreicht ist und ein Eingriff nötig wird.
In diesem Beitrag verstehen wir die Bezeichnungen »Steuern« und »Regeln« als genormte, rein technische Begriffe. Soweit sie in der Alltagssprache benutzt werden, werden sie immer wieder durcheinander gebracht.

Steuern und Regeln

Steuern
Das Steuern und das Regeln sind unterschiedliche Vorgänge. Beim Steuern wird eine Größe, z.B. die Fahrgeschwindigkeit eines Autos, beeinflusst. Die Normbeschrei­bung drückt es nüchtern so aus: Eine Eingangsgröße (= Gaspedalstellung) erzeugt eine Ausgangsgröße (= Fahrgeschwindigkeit).
Nachdem der Motor angelassen, die Kupplung gelöst und ein Gang eingelegt ist, wird das Gaspedal gedrückt: Das Auto fährt und der Fahrer richtet seinen Blick auf die Straße. 

Einige wichtige, zu jedem Steuervorgang gehörige Begriffe sind:
Sollwert. Im beschriebenen Beispiel ist es eine Fahrgeschwindigkeit, die sich der Fahrer vorstellt. Konkret könnte es die zulässige Höchstgeschwin­digkeit sein.
Stellglied. Hier ist es das Gaspedal, das der Fahrer so verändert, dass er die gewünschte Geschwindigkeit erreicht. Der Gaspedalweg ist dabei die Stellgröße.
Der Istwert ist die tatsächlich gefahrene Geschwindigkeit.
Störgrößen können den Istwert beeinflussen; bei Steuerungsvorgängen werden sie allerdings nicht berücksichtigt. Im Falle des fahrenden Autos könnte etwa eine abschüssige Straße als Störgröße wirken: Sie könnte zu einer Geschwindig­keits­erhöhung führen.

Im Auto werden durch den Steuervorgang der Motor, das Getriebe und die Antriebsräder beeinflusst. Die Gesamtheit der beeinflussten Baugruppen bezeichnet man als Steuerstrecke.
Für die eigentliche Arbeit bedient man sich beim Steuern und Regeln oft einer Hilfsenergie. Beispiele: Sollen die Scheinwerfer des Autos eingeschaltet werden, dann wird der Lichtschalter auf der Konsole zwar mit Handkraft betätigt, das Scheinwerferlicht selbst aber stammt aus elektrischer Energie. Dabei leistet die Hilfsenergie jeweils ein Vielfaches der Steuerenergie.

Regeln
Steuerungsvorgängen fehlt etwas Wichtiges: Im Beispiel wird nichts darüber ausgesagt, ob das Ergebnis des Steuervorgangs, der Istwert - hier die Fahrgeschwindigkeit - in Ordnung war. So lange der Fahrer nur auf die Straße achtet, hat er keinen verläss­lichen Anhaltspunkt dafür, ob er nicht zu schnell fährt.
Beim Regeln ist das anders. Hier informiert sich der Fahrer über seine Geschwindigkeit, indem er immer wieder auf den Tachometer blickt. Aus steuerungstechnischer Sicht überprüft er dabei, ob der Istwert (Tachometeranzeige) den Sollwert (zulässige Höchstgeschwindigkeit) nicht überschreitet. Stellt der Fahrer fest, dass er zu schnell fährt, verändert der die Gaspedalstellung und damit die Fahrge­schwin­digkeit entsprechend.

Schematische Darstellung
Schematisch kann man die beiden Vorgänge so darstellen, wie es die Bilder zeigen.
Steuervorgänge besitzen einen »offenen« Wirkungsablauf; sie bilden eine »Kette«. Es wird nicht nachgeprüft, ob der Istwert mit dem Sollwert übereinstimmt. 

Beim Regeln dagegen liegt ein »geschlossener« Wirkungsablauf vor, der sich als Kreis zeichnen lässt. Hier stellt der Vergleich zwischen Soll- und Istwert eine Verknüpfung dar, die es nicht zulässt, dass der Sollwert über eine zulä­ssige Toleranz hinaus unter- oder überschritten wird. Es leuchtet ein, dass man für einen solchen Regelvorgang zwei weitere Einrichtungen benötigt: ein geeignetes Messinstrument, allgemein einen Messfühler, und einen Regler, der Ist- und Sollwert einander angleicht. Messfühler und Regler zusammen werden als Messumformer bezeichnet. Die Steuerstrecke wird zur Regelstrecke.
(Es ist uns bewusst, dass es problematisch ist, solche Begriffe auf den Menschen zu übertragen: Würde man es im Fall des Autos trotzdem tun, dann hätte der Fahrer eine regelnde Funktion; er wäre der »Regler«).

Als weiteres Beispiel für einen Regelvorgang sei die Heizung eines Kfz-Innenraums betrachtet: Temperaturmessfühler ermitteln die Temperatur des Fahrzeug­innenraums und der Ausblasluft. Die beiden Temperaturen werden vom Regler mit dem an der Armaturentafel eingestellten Sollwert verglichen. Weichen die Istwerte vom Sollwert ab, erhält das im Warmwasserkreislauf liegende Elektromagnet­ventil Impulse: Der Durchfluss der Warmwassermenge wird reduziert oder vergrö­ßert, d. h. die Raumtempera­tur fällt ab oder steigt an. 

Die Skizzen unten sind als Vorlagen für Arbeitsblätter gedacht.