Grundlagen 20: Was ist ein Regler?

Wir wollen uns hier dem technisch richtigen Begriff nähern.
Vieles, das im allgemeinen Sprachgebrauch als Regler bezeichnet wird, ist nämlich keiner. Ein gutes Beispiel für eine falsche Bezeichnung ist aus unserem Wirkungsbereich der "Fahrregler".
Warum das so ist, davon weiter unten mehr.

Was genau ist denn nun ein Regler?
Lassen Sie uns von der "technisch richtigen" Beschreibung zur "menschlich verständlichen" gehen:
Ein Regler ist eine (wie auch immer geartete) Vorrichtung, die geeignet ist, auf eine technische Einrichtung so zu wirken, daß ein bestimmbarer Zustand eingehalten wird.
Oder, so steht es bei wikipedia:
"Der in einem Regelkreis eingebundene Regler wirkt so auf eine Regelstrecke ein, daß eine zu regelnde Größe, die Regelgröße, mit Hilfe einer negativen Rückführung unabhängig von Störeinflüssen sich auf das Niveau der gewählten Führungsgröße einstellt."

Sicherlich werden Sie bisher nicht viel verstanden haben! Keine Bange, das ist normal, das geht den meisten so.

reg Im Bild rechts sehen Sie eine technische Zeichnung (ganz allgemein gehalten) eines Regelkreises. Dort ist im roten Kreis der Regler eingezeichnet. Dieser vergleicht den Sollwert mit einem aus dem Kästchen 2 gelieferten Wert, indem er diesen vom Sollwert abzieht; das sollen die beiden Vorzeichen an den Pfeilen darstellen. Das Ergebnis wird an das Kästchen 1 geliefert, das (auf wundersame Weise, wie auch immer) den "Zustand" herstellt. Dieser Zustand gelangt auch wieder in das Kästchen 2, das ihn umwandelt in einen Wert, den der Regler "verstehen" kann.
Das gesamte im Bild gezeichnete System nennt man einen Regelkreis. Alle Regelsysteme sind nach diesem Prinzip aufgebaut.

Dazu nun ein relativ einfaches Beispiel: der Thermostat an einem Heizkörper
Er wird verwendet, um eine bestimmte Raumtemperatur einzustellen. Klar; aber wie funktioniert das rein technisch?
Durch Drehen an dem Thermostat-Kopf soll ein bestimmter Temperatur-Sollwert vorgegeben werden, z.B. 20°C. Es stehen auf dem Kopf aber keine Temperatur-Werte, sondern nur Zahlen, meist von 1 bis 5. Das muß der Mensch selber herausfinden, bei welcher Stellung er sich wohlfühlt. Die Zahlen dienen nur zum Merken dieser Stellung.
Wenn Sie genau darauf achten, sehen Sie, daß dieser Kopf bei Linksdrehung etwas weiter herauskommt. Am Fuße des Kopfes ist eine Überwurfmutter, die man ohne weiteres losdrehen kann, so daß dann der Kopf abgenommen werden kann. Darunter kommt (am Rohr) ein kleiner Stift zum Vorschein, den man mit etwas Kraft hineindrücken kann. Dieser Stift ist Teil eines Ventils, das den Heizwasser-Durchlauf beeinflußt: wenn man ihn hineindrückt, wird dieser gestoppt. Auf der Unterseite des Kopfes sehen Sie ein kleines "Etwas", das in zusammengebautem Zustand auf diesen Stift drückt.
Die Funktion ist nun folgende:
Wenn ich den Kopf nach links drehe (also zu höheren Zahlen hin), kommt er etwas heraus, der Stift des Ventils natürlich ebenfalls, und es kann mehr Wasser in den Heizkörper fließen. Es wird also wärmer.
Sie können diese Funktion auch im ausgebauten Zustand erkennen. Drehen Sie den Kopf nach links, zieht sich das "Etwas" in den Kopf zurück und umgekehrt.
Und wo ist denn nun der Regler?
Das ist das kleine "Etwas", das wir oben genannt haben. Dies ist das Ende einer Hülse im Kopf, die sich bei Erwärmung stark ausdehnt. Der Kopf besitzt seitlich große Schlitze, durch die die Raumluft hindurchtreten kann und die Hülse entsprechend erwärmt. Wird die Raumluft durch das Heizen wärmer, dehnt sich die Hülse weiter aus, drückt auf das Ventil und drosselt so den Wasserdurchlauf.
Nun können Störungen auftreten, die ein Regler ebenfalls ausgleichen muß (klar: denn auch dazu ist er da). Das wären z.B. geöffnete Fenster, Sonneneinstrahlung oder auch andere Wassertemperaturen. Die ersten beiden wirken sich direkt auf die Raumluft-Temperatur aus, die die Hülse anders erwärmt und so das Ventil entsprechend verstellt. Eine andere Wassertemperatur wirkt sich zunächst nur auf die Heizleistung des Heizkörpers aus, indirekt dann auch wieder auf die Temperatur der Raumluft.

Jetzt vergleichen wir die Teile des Thermostaten mit der grauen Theorie (s. Bild oben):
Der Sollwert ist die mechanische Position des Hinterteils der Hülse; also der Punkt, von dem aus sie sich gegen das Ventil stemmt. Dieser Punkt wird durch Drehen am Thermostat-Kopf verstellt. Der Istwert ist die Länge der Kartusche, die durch die Temperatur der Raumluft bewirkt wird. Und die "technische Einrichtung" ist das Ventil. Also sind alle Bauteile mechanisch. Das Vergleichen, das wir oben angesprochen haben, ist das Verschieben des Druckpunktes auf das Ventil, einmal durch das Einstellen von Hand, und, entgegengesetzt, das Verschieben durch die Wärme-Einwirkung.

Das heißt für das Bild: im Kästchen 1 verbirgt sich das Ventil, das durch die Position des Endes der Hülse betätigt wird. Es setzt also eine mechanische Position in Wärme um. Im Kästchen 2 befindet sich die Hülse, die durch Wärme ihre Länge verändert und so eine andere Position des Ventils bewirkt.

Ein Fahrregler ist also kein Regler
Jetzt können Sie auch verstehen, warum ein Gerät zum Einspeisen von Fahrspannung kein Regler ist: er hat keine Messung der Geschwindigkeit, weiß also nicht, was das Fahrzeug gerade macht. Erst im Zusammenhang mit dem Bediener, seinen Beobachtungen der Geschwindigkeit und seiner Hand, die am Drehpoti dreht, ensteht ein Regelkreis. Dieser Kreis wird aber sofort unterbrochen, wenn der Mensch seine Augen schließt oder gar einschläft! Dann ist nämlich der eigentliche Regler, der Mensch mit der gewünschten Geschwindigkeit, der beobachteten Geschwindigkeit und der daraus folgenden Drehbewegung am Poti, wirkungslos.

Reglertypen
Im Prinzip ist alles, was sich im Gleichgewicht befindet, geregelt.
Je nach Aufgabe und Aufwand dafür gibt es in der Technik verschiedene Regler-Typen.
Die einfachsten sind sog. Zweipunkt-Regler. Sie kennen an ihrem Ausgang nur zwei Stellungen, "ein" oder "aus". Als Beispiel sollen hier elektrische Raumthermostate oder auch Kochplatten genannt werden. Sie schalten Heizquellen aus, wenn es zu warm wird, oder ein, wenn es zu kalt wird. Diese beiden Schaltpunkte haben immer einen Unterschied in ihrer Temperatur. Zwischen diesen beiden schwankt dann die Temperatur hin und her. Bei vielen Anwendungen ist dies problemlos möglich. Nur beim Über- oder Unterschreiten der Grenzwerte muß der Regler eingreifen.
Anders die stetigen Regler: sie greifen ständig in das Geschehen ein und reagieren, je nach der Größe der Abweichung, mehr oder weniger stark.
Ein einfacher Regler in dieser Kategorie ist der P-Regler (p wie proportional). Je größer die Abweichung des gemessenen Wertes ist, desto stärker greift er ein. Diesen haben wie eingangs als Heizkörper-Thermostat beschrieben. Zum Funktionieren braucht er immer eine Abweichung der beiden Werte voneinander.
Ein anderer Regler ist der I-Regler (i wie integrierend). Er betrachtet nur die Art der Abweichung der beiden Werte. Ist der Istwert zu klein, steuert er den Zufluß in den Regelkreis immer stärker an, bis der Istwert den Sollwert überschritten hat. Dann verringert er wieder die Ansteuerung. Im Endeffekt pendelt der Istwert immer leicht um den Sollwert herum. So etwas planen wir als Drehzahlregelung für unsere Faller-Car-Autos. Die Motoren sind im Vergleich zu der Regelungselektronik sehr träge, so daß Drehzahlschwankungen nicht auffallen.

Regelschwingungen: sind evtl. tödlich für die Elektronik
Ein Regler sollte immer schneller sein als das, was er regeln soll. Besonders beim P-Regler kann es leicht kritisch werden. Ist er zu langsam, kommt er mit seinem Eingreifen zu spät, und der Regelkreis schaukelt sich auf. Dies kann zur Zerstörung von Komponenten führen. Genau aus diesem Grund müssen die meisten Spannungsregler-ICs an ihrem Ausgang einen Kondensator erhalten. Der stabilisiert diese Spannung, verhindert also schnelle Spannungsänderungen und damit evtl. auftretende Regelschwingungen.
Wir wollen hier nur anmerken, daß es solche Probleme gibt. Bedenken Sie, daß der Regler durch sein Funktionieren sich selbst die Grundlage für sein Eingreifen (jedenfalls größtenteils) entzieht.
Wer's genauer wissen will, sei auf wikipedia verwiesen (wo es schon heftig mathematisch zugeht) oder auf diverse Hochschulen, die das Fach Regelungstechnik als Studiengang anbieten.

Für weitere Fragen stehen gern zur Verfügung:
- der MEC; Besichtigung und Fachsimpelei z.B. an unseren "Club-Abenden"
- der Autor: Hans Peter Kastner

Version vom 11.01.2023; erstellt am 06.06.2022
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