Kapitel 1 : Regelungstechnik
Regelungssysteme oder Regelungstechnik Unter Verwendung der Regelungstheorie zur Schaffung von Maschinen und Systemen mit erwünschten Verhaltensweisen in Regelungsumgebungen ist das Ingenieurwesen ein Zweig des Ingenieurwesens, der sich mit Regelungssystemen befasst.
Bei der Steuerung eines Prozesses werden Sensoren und Detektoren verwendet, um die Ausgangsleistung zu überwachen. Diese Messungen werden dann verwendet, um korrigierendes Feedback zu geben, das zum Erreichen der beabsichtigten Leistung beiträgt. Automatische Steuerungssysteme sind so konzipiert, dass sie ohne menschliches Eingreifen funktionieren (z. B. Tempomat zur Regulierung der Geschwindigkeit eines Autos). Die technische Entwicklung von Regelungssystemen ist multidisziplinär und konzentriert sich auf die Implementierung von Regelungssystemen, die hauptsächlich aus der mathematischen Modellierung einer Vielzahl von Systemen generiert werden.
Die Entwicklung der Technik im Laufe des 20. Jahrhunderts führte zu einem starken Anstieg des Interesses am Bereich der modernen Regelungstechnik, die eine relativ junge akademische Disziplin ist. Sie kann grob als eine reale Anwendung der Kontrolltheorie kategorisiert werden. Von einfachen Waschmaschinen für den Haushalt bis hin zu Hochleistungs-Kampfjets ist die Regelungstechnik für viele verschiedene Steuerungssysteme von entscheidender Bedeutung. Es zielt darauf ab, physikalische Systeme in Bezug auf Eingaben, Ausgaben und zahlreiche Komponenten mit unterschiedlichen Verhaltensweisen durch mathematische Modellierung zu verstehen; Konstruktion von Steuerungen für diese Systeme unter Verwendung von Entwurfswerkzeugen für Steuerungssysteme; und um Steuerungen in physischen Systemen unter Verwendung der verfügbaren Technologie einzusetzen. Abhängig von der Art der Designherausforderung kann die Regelungstheorie in einem oder mehreren der Zeit-, Frequenz- und Komplexbereiche auf die mathematische Modellierung, Analyse und den Reglerentwurf eines Systems angewendet werden, das mechanisch, elektrisch, fluidisch, chemisch, finanziell oder biologisch sein kann.
Das als Regelungstechnik bekannte Gebiet des Ingenieurwesens konzentriert sich auf die Modellierung einer Vielzahl dynamischer Systeme (z. B. mechanische Systeme) und das Entwerfen von Reglern, damit sich diese Systeme so verhalten, wie es der Konstrukteur beabsichtigt. Die Regelungstechnik wird manchmal als ein Fach der Elektrotechnik angesehen, obwohl solche Steuerungen nicht zwingend elektrisch sein müssen.
Steuerungssysteme können unter anderem mit elektrischen Schaltungen, digitalen Signalprozessoren und Mikrocontrollern realisiert werden. Es gibt mehrere Anwendungen für die Regelungstechnik, von den Antriebs- und Flugsystemen von Verkehrsflugzeugen bis hin zum Tempomaten, der in vielen modernen Autos zu finden ist.
Regelungstechniker verwenden bei der Erstellung von Steuerungssystemen häufig Feedback. Hierfür wird häufig ein PID-Reglersystem eingesetzt. Ein Fahrzeug mit Tempomat überwacht beispielsweise kontinuierlich die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und gibt diese Informationen an das System zurück, das dann das Drehmoment des Motors bei Bedarf modifiziert. Mit Hilfe der Regelungstheorie kann bestimmt werden, wie das System auf Rückkopplung reagiert, wenn diese häufig auftritt. Stabilität ist in praktisch allen diesen Systemen von entscheidender Bedeutung, und die Regelungstheorie kann dazu beitragen, dass diese Stabilität erreicht wird.
Regelungstechniker können sich auch auf die Steuerung von Systemen ohne Eingabe konzentrieren, obwohl Rückkopplung eine Schlüsselkomponente dieser Disziplin ist. Open Loop Control ist der Begriff dafür. Eine Waschmaschine, die ohne den Einsatz von Sensoren einem vorgegebenen Zyklus folgt, ist ein Paradebeispiel für eine Regelung mit offenem Regelkreis.
Vor über zweitausend Jahren wurden die frühesten automatischen Kontrollmechanismen geschaffen. Um das dritte Jahrhundert v. Chr. soll die antike Wasseruhr von Ktesibios in Alexandria, Ägypten, das erste Rückkopplungskontrollsystem gewesen sein, das jemals entdeckt wurde. Durch die Kontrolle des Wasserstands und des Wasserflusses eines Schiffes hielt es die Zeit ein. Die Tatsache, dass 1258 n. Chr. noch Wasseruhren mit vergleichbarer Bauart in Bagdad hergestellt wurden, deutet darauf hin, dass diese Erfindung zweifellos wirksam war. Viele automatische Geräte wurden im Laufe der Geschichte eingesetzt, um notwendige Aufgaben zu erledigen oder einfach nur um Menschen zu amüsieren. Diese Automaten, die im 17. und 18. Jahrhundert in Europa üblich waren und tanzende Figuren zeigten, die die gleiche Aufgabe immer wieder ausführten, sind Beispiele für eine offene Steuerung. Der um 1620 Drebbel zugeschriebene Temperaturregler eines Ofens und der Zentrifugalregler, mit dem James Watt 1788 die Drehzahl von Dampfmaschinen regelte, sind Meilensteine unter den Rückkopplungs- oder "Closed-Loop"-Steuergeräten.
James Clerk Maxwell verwendete in seinem Aufsatz "On Governors" von 1868 Differentialgleichungen, um das Steuerungssystem zu beschreiben, um die Instabilitäten des Flyball-Reglers zu erklären. Dies markierte den Beginn der mathematischen Regelungs- und Systemtheorie und verdeutlichte die Bedeutung und den Wert mathematischer Modelle und Ansätze für das Verständnis komplizierter Ereignisse. Obwohl schon früher, waren die Elemente der Kontrolltheorie in Maxwells Analyse nicht mit der gleichen Kraft und Überzeugung dargestellt worden.
Im Laufe des folgenden Jahrhunderts entwickelte sich die Kontrolltheorie erheblich weiter. Komplexere dynamische Systeme, als der ursprüngliche Flyball-Regler stabilisieren konnte, können nun dank neuer mathematischer Methoden sowie Verbesserungen in der Elektronik und Computertechnologie gesteuert werden. In den 1950er und 1960er Jahren wurden Fortschritte bei der optimalen Regelung erzielt, und in den 1970er und 1980er Jahren wurden Fortschritte bei stochastischen, elastischen, adaptiven und nichtlinearen Regelungsansätzen erzielt. Die Anwendung von Steuerungsmethoden hat es ermöglicht, sicherere und effektivere Flugzeuge, Kommunikationssatelliten, sauberere Automotoren sowie sauberere und effizientere chemische Prozesse zu entwickeln.
Die Regelungstechnik wurde als Teil der Elektrotechnik untersucht, da es häufig möglich ist, elektrische Schaltungen mit Ansätzen der Regelungstheorie leicht zu erklären, bevor die Regelungstechnik zu einem eigenständigen Fach wurde. Die ersten Steuerbeziehungen verwendeten einen Spannungssteuereingang, um einen Stromausgang darzustellen. Die Entwickler waren gezwungen, weniger effektive und langsam reagierende mechanische Systeme zu verwenden, da es keine ausreichende Technologie für die Integration elektrischer Steuerungssysteme gab. Der Regler ist ein hocheffizienter mechanischer Regler, der bei einigen Wasserkraftprojekten immer noch häufig eingesetzt wird. Später, vor der heutigen Leistungselektronik, entwickelten Maschinenbauer Prozessleitsysteme für industrielle Zwecke mit pneumatischen und hydraulischen Steuergeräten, von denen viele noch heute im Einsatz sind.
Ein Steuerungssystem verwendet Regelkreise, um das Verhalten anderer Geräte oder Systeme zu verwalten, zu befehlen, zu lenken oder zu steuern. Es kann von einem einzelnen thermostatgesteuerten Kessel in einem Einfamilienhaus bis hin zu massiven industriellen Steuerungssystemen reichen, die zur Verwaltung ganzer Produktionslinien verwendet werden. Für die Erstellung der Leitsysteme wird die Regelungstechnik eingesetzt.
Ein Feedback-Controller wird verwendet, um einen Prozess oder Betrieb automatisch zu steuern, um eine konstant modulierte Steuerung zu ermöglichen. Das Regelsystem vergleicht den Sollwert (SP) mit dem Wert oder Status der zu regelnden Prozessvariablen (PV) und nutzt die Differenz als Steuersignal, um die Leistung der Prozessvariablen der Anlage auf den Sollwert zu bringen.
Softwarelogik, wie sie in einer speicherprogrammierbaren Steuerung zu finden ist, wird für sequentielle und kombinatorische Logik verwendet.
Die Regelung dynamischer Systeme in technischen Prozessen und Maschinen fällt in den Bereich der Regelungstechnik und der angewandten Mathematik. Ziel ist es, ein Modell oder einen Algorithmus zu erstellen, der steuert, wie Systemeingaben angewendet werden, um das System in einen gewünschten Zustand zu versetzen und gleichzeitig Verzögerungen, Überschwinger oder stationäre Fehler zu minimieren und ein gewisses Maß an Steuerungsstabilität sicherzustellen. Dies geschieht häufig mit der Absicht, ein gewisses Maß an Optimalität zu erreichen.
Hierfür wird eine Steuerung mit dem notwendigen Korrekturverhalten benötigt. Die geregelte Prozessvariable (PV) wird von diesem Regler überwacht und ihr Wert mit einem Referenz- oder Sollwert (SP) verglichen. Das Fehlersignal, auch als SP-PV-Fehler bezeichnet, wird als Rückkopplung angewendet, um eine Steueraktion zu generieren, die die gesteuerte Prozessvariable auf den gleichen Wert wie den Sollwert bringt. Es ist die Differenz zwischen den tatsächlichen und den gewünschten Werten der Prozessvariablen. Die Untersuchung der Kontrollierbarkeit und Beobachtbarkeit ist eine weitere Komponente. Die Automatisierung, die mit Hilfe der Regelungstheorie entwickelt wurde, hat die Industrie, die Luftfahrt, die Kommunikation und andere Branchen verändert und neue Branchen wie die Robotik hervorgebracht.
Das Blockdiagramm, eine Art von Diagramm, wird häufig ausgiebig verwendet. Es verwendet die Differentialgleichungen, die das System charakterisieren, um ein mathematisches Modell der Beziehung zwischen Eingabe und Ausgabe zu erstellen, das als Übertragungsfunktion bekannt ist und auch als Systemfunktion oder Netzwerkfunktion bezeichnet...
