Steuerungs- und Regelungstechnik (2): Schemadarstellung 12.11.2012, 10:33

Schematisch werden Steuer- und Regelsysteme in drei Blöcken dargestellt. Block 1 ist die Eingabe von Istwerten (E), Block 2 deren Verarbeitung V und Block 3 die Ausgabe A mit Ansteuerung der Aktoren. Das System wird mit E-V-A abgekürzt.

Steuerungs- und Regelungssysteme in der schematischen Darstellung

Viele Abläufe in der Technik sind Regelvorgänge, denn fast jeder technische Ablauf bedarf der Überwachung. Den Ausschlag dafür, ob gesteuert oder geregelt werden muss, geben eventuell auftretende Störgrößen. Sind solche vorhanden, dann muss man damit rechnen, dass sich der Istwert vom Sollwert entfernt; sind keine Störungen zu erwarten, dann kann man auch eher auf eine Überwachung verzichten. Ein Beispiel für einen solchen Fall wäre, wenn irgendwo Licht eingeschaltet wird. Normalerweise wird das Licht brennen und den Raum in der gewohnten Weise erleuchten. Dies muss nicht dauernd überwacht werden. Wird jedoch der Schalter betätigt und das Licht brennt nicht (Istwert ist nicht gleich Sollwert), dann wird man die Situation dem Sollwert dadurch angleichen, dass man z. B. die defekte Birne durch eine neue ersetzt. In diesem Fall würde ein Regelvorgang vorliegen.

Hier die Normdefinitionen für das Steuern und Regeln: 
Das Steuern ist der Vorgang in einem System, in dem eine Größe als Eingangsgröße eine andere Größe als Ausgangsgröße beeinflusst. Das Kennzeichen für das Steuern ist die Steuerkette. 

Das Regeln ist ein Vorgang, bei dem die zu regelnde Größe (der Istwert) fortlaufend erfasst und mit einer anderen Größe, dem Sollwert, verglichen und an diesen angeglichen wird. Das Kennzeichen des Regelvorgangs ist der geschlossene Regelkreis.

Grundsätzlicher Aufbau elektronischer Regelsysteme
In Kraftfahrzeugen arbeiten elektronische Regelsysteme immer nach demselben Prinzip:
Sensoren erfassen bestimmte Betriebszustände und geben sie an die Regelelektronik als Eingangssignale weiter. Entsprechend einem vorgebenen Programm verarbeitet die Elektronik diese Signale; das Ergebnis sind Ausgangssignale, die auf Aktoren wie Hydraulikventile, Motoren usw. einwirken, indem sie die Ventile weiter öffnen oder schließen oder die Motore schneller oder langsamer laufen lassen.
Die Aufgabe der Sensoren ist es, Informationen wie Drücke, Drehzahlen, Temperaturen usw. in Spannungen umzuwandeln, denn ein Mikrocomputer versteht nur elektrische Signale wie Spannungen oder Ströme. 

Im tec.LEHRERFREUND-Beitrag »Steuerungs- und Regelungstechnik (1): Praktische Beispiele« wurde bereits darauf hingewiesen: Es ist ein Irrtum, die Begriffe Steuern und Regeln als identisch zu betrachten. Beim Steuern fehlt das Element der Rückkopplung.
Heute ist es üblich, den Begriff »Controller« zu benützen, aber: Das englische Verb »control« meint sowohl Steuern als auch Regeln. Korrekt wäre die Unterscheidung »closed-loop control« für Regelung und »open-loop control« für Steuerung.

Schemadarstellung

Schematisch werden Steuer- und Regelsysteme in drei Blöcken dargestellt. Block 1 ist die Eingabe E, Block 2 die Verarbeitung V der Informationen und Block 3 die Ausgabe A, also E-V-A. Aus dem Blockschaltbild geht dies hervor:
- Elektrische Sensoren erfassen die Betriebssituationen (Istwerte).
- Diese melden sie einem Steuergerät. Dieses verarbeitet die elektrischen Eingangssignale und
- steuert die Aktoren des Systems elektrisch an. 

(Anmerkung: Steuergerät, Regler, Controller und Mikroprozessor meinen dasselbe, wobei der Begriff Steuergerät nicht korrekt ist). 

Wenn die Eingangssignale elektrische Spannungen sind, liegt die Information in der Spannungshöhe beziehungsweise -änderung. Auch die Spannungsfrequenz oder die Größe des fließenden Stroms kann herangezogen werden. Weil moderne Steuergeräte in der Lage sind, komplizierte Rechenoperationen in kürzester Zeit durchzuführen, können sie gleichzeitig sehr viele Istwerte berücksichtigen, um die Aktoren verlässlich anzusteuern. Nach Norm verwendet man für die Eingangs- und Ausgangssignale in Steuer- und Regelsystemen den Buchstaben x. 

Moderne Systeme überwachen sich oft selbst; man spricht dann von »Eigendiagnose«. Treten Fehlfunk­tionen auf, werden diese in einen Fehlerspeicher geschrieben und über Tester ausgelesen.

Fehlersuche
Bei nicht eigendiagnosefähigen Regeleinrichtungen empfiehlt sich in der Fehlersuche folgende Vorgehensweise:
- Nachprüfen, ob die Spannungsversorgung einschließlich Masseanbindung in Ordnung ist,
- Am letzten Glied des Ausgangssignals beginnen,
- Überprüfung des Ausgangssignals (AS) am Steuergerät: Ist das Ausgangssignal korrekt, Pfad weiter verfolgen; ist das AS falsch, ES prüfen. ES zurückverfolgen, bis Fehlerursache gefunden wird.

Zu beachten ist:
- Stecker von elektrischen Bauteilen niemals bei eingeschalteter Zündung ziehen (Spannungsspitzen!),
- Spannungsfälle messen, nicht Widerstände,
- Spannungsmessgeräte mit hohem Innenwiderstand verwenden,
- Vor Schweißarbeiten Batterie abklemmen (Achtung: Diagnosesysteme verlieren dann gespeicherte Fehler). 
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In einem weiteren Beitrag werden Regelprozesse am Beispiel eines Magnetventils und einer Kabinenheizung erläutert.