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Regelungstechnik

Realisierung elektrischer Regler

Analoger Regler

Der zentrale Baustein in der modernen analogen Schaltungstechnik ist der Operationsverstärker. Er verstärkt mit einem Verstärkungsfaktor V>10000 die Differenz zwischen der angelegten positiven und negativen Eingangsspannung.

Zur Erzielung hoher Differenzverstärkungen V werden die Operationsverstärker als mehrstufige Verstärker mit Eingangsdifferenzverstärker, Darlington-Transistor und zwei Transistoren in Emitterschaltung als Ausgangsstufe betrieben.

Die universelle Verwendungsmöglichkeit des Operationsverstärkers beruht auf der Beschaltung des Verstärkers durch ausgesuchte Ein- und Ausgangsnetzwerke. Dabei wird der positive Ausgang des Verstärkers auf Masse gelegt. Nachfolgende Abbildung zeigt einen beschalteten Operationsverstärker mit einem beliebigen Eingangsnetzwerk Ze und einem beliebigen Ausgangsnetzwerk Zr . Mit Z wird dabei der komplexe Scheinwiderstand (Impedanz) eines Netzwerkes bezeichnet.

Abb.1
Schema eines Operationsverstärkers

Digitaler Regler

Das Kernstück der digitalen Signalverarbeitung ist der Mikrocontroller. In ihm werden Signale digital verarbeitet. Da die in einem Regelkreis auftretenden Signale jedoch analoge Signale sind, ist zuvor eine Wandlung des Eingangssignals xe(t) erforderlich. Die Eingangssignale eines Mikrocontrollers werden somit einer Analog/Digital-Wandlung unterworfen. Die digitalen Signale (Zahlen) werden dann im Prozessor verarbeitet, d.h. miteinander multipliziert, addiert, dividiert etc.

Der Regler ist somit als Gleichung im Mikroprozessor programmiert. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Signale hängt von der Taktzeit des Prozessors ab. Nach der Berechnung des Ausgangssignals xa(t) (Stellgröße) wird dieses dann wieder in ein analoges Signal gewandelt (D/A-Wandlung) und bis zur Berechnung des nächsten Ausgangssignals als konstantes Ausgangssignal ausgegeben. Die Ausgangssignale des Mikrocontrollers weisen somit einen treppenförmigen Verlauf auf, die Eingangssignale sind jedoch stetige analoge Signale.

Abb.2
Regelungsprozess in einem digitalen Regler

Die Abtastzeit ist das Zeitintervall, in dem der Prozessor einen neuen Ausgabewert xa berechnet. In diesem Zeitabstand wird ein neuer Wert des Eingabesignals xe eingegeben. Diese Eingabe wird durch den Abtaster, gekennzeichnet durch einen Schalter mit der Frequenzangabe wt gesteuert. Auch das Ausgangssignal xa wird für diese Zeitdauer durch ein Halteglied konstant gehalten und ergibt die gezeigte Treppenkurve. Diese Abtastzeit T bzw. Frequenz wt hat in der digitalen Regelung einen bestimmenden Einfluss. Der Regelalgorithmus verarbeitet diese Signale zu den Abtastzeitpunkten, da er nur eine endliche Rechengeschwindigkeit besitzt.

Die Festlegung dieser Abtastzeit T hängt von dem zu regelnden Prozess ab. So reicht es z.B. bei der Temperaturregelung eines Raumes aus, dem Regler alle paar Sekunden eine neue Temperatur mitzuteilen, die dann zur Berechnung eines neuen Stellsignals verwendet wird. Bei der Drehzahlregelung eines Motors muss jedoch ungefähr im Millisekundenabstand eine Drehzahlmessung für die Berechnung eines neuen Stellsignals (Ankerspannung) vorliegen. Die Abtastzeit des Mikrocontrollers muss somit deutlich schneller als die dominierenden Zeitkonstanten des Regelkreises sein. Im allgemeinen wird verlangt, dass die Abtastfrequenz wt mehr als 6...10mal größer als die höchste im System vorkommende Frequenz sein soll.

Während in einem Mikrocontroller über den Interrupt-Timer die Abtastfrequenz nahezu beliebig eingestellt werden kann, ist sie bei den so genannten speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), dem zweiten großen Einsatzbereich digitaler Regelungen, fest vorgegeben. Speicherprogrammierbare Steuerungen werden in erster Linie zur Steuerung von dynamischen Prozessen in der Automatisierungstechnik verwendet. Da eng verbunden mit der Steuerung von Prozessen oft auch eine Regelung notwendig ist, enthält eine SPS meist auch ein Reglermodul, bestehend wiederum aus einem Mikrocontroller mit Wandlern. Die Abtastzeit einer SPS ist meist vorgegeben mit z.B. 10 ms oder 40 ms.

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