Regelungstechnik: Was ist das? (Und seine Geschichte)
Was ist Regelungstechnik
Regelungstechnik ist der Zweig der Ingenieurwissenschaft, der sich mit den Prinzipien der Regelungstheorie befasst, um ein System zu entwerfen, das das gewünschte Verhalten in kontrollierter Weise erzielt. Obwohl Regelungstechnik an Universitäten oft im Rahmen des Elektrotechnikstudiums gelehrt wird, handelt es sich dabei um ein interdisziplinäres Thema.
Regelungstechniker analysieren, entwerfen und optimieren komplexe Systeme, die aus hochintegrierter Koordination mechanischer, elektrischer, chemischer, metallurgischer, elektronischer oder pneumatischer Elemente bestehen. Die Regelungstechnik befasst sich daher mit einer Vielzahl dynamischer Systeme, die menschliche und technologische Schnittstellen umfassen. Diese Systeme werden allgemein als Regelungssysteme bezeichnet.
Die Regelungstechnik konzentriert sich auf die Analyse und den Entwurf von Systemen, um die Reaktionsgeschwindigkeit, Genauigkeit und Stabilität des Systems zu verbessern.
Die beiden Methoden der Regelungstechnik sind klassische Methoden und moderne Methoden. Das mathematische Modell des Systems wird als erstes Schritt aufgestellt, gefolgt von Analyse, Design und Test. Die notwendigen Bedingungen für die Stabilität werden überprüft und schließlich erfolgt die Optimierung.
Bei der klassischen Methode wird das mathematische Modell in der Zeit-, Frequenz- oder komplexen Domäne erstellt. Die Sprungantwort eines Systems wird in der zeitbereichsdifferentialanalyse mathematisch modelliert, um seine Einstellzeit, % Überschwingen usw. zu finden. Laplace-Transformationen werden am häufigsten in der Frequenzdomäne verwendet, um den Offenheitsverstärkungsfaktor, Phasenreserve, Bandbreite usw. des Systems zu bestimmen. Der Begriff der Übertragungsfunktion, Nyquist-Stabilitätskriterien, Datenerfassung, Nyquist-Diagramm, Pole und Nullstellen, Bode-Diagramme, Systemverzögerungen fallen alle unter den Bereich der klassischen Regelungstechnik.
Moderne Regelungstechnik befasst sich mit Mehrgrößensystemen (MIMO), Zustandsraumansatz, Eigenwerten und -vektoren usw. Anstatt komplexe gewöhnliche Differentialgleichungen zu transformieren, wandelt der moderne Ansatz höhere Ordnungen in erste Ordnung um und löst sie durch Vektorverfahren.
Automatische Regelungssysteme werden am häufigsten verwendet, da sie keine manuelle Steuerung erfordern. Die gesteuerte Variable wird gemessen und mit einem vorgegebenen Wert verglichen, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Durch automatisierte Systeme zur Steuerung sinken die Kosten für Energie oder Leistung sowie die Prozesskosten, wodurch Qualität und Produktivität steigen.
Geschichte der Regelungssysteme
Die Anwendung automatischer Regelungssysteme wird sogar schon in den antiken Zivilisationen vermutet. Verschiedene Arten von Wasseruhren wurden bereits ab dem dritten Jahrhundert v. Chr. von Griechen und Arabern entwickelt und implementiert, um die Zeit genau zu messen. Das erste automatische System gilt jedoch als der Watt'sche Fliehkraftregler von 1788, der die industrielle Revolution einleitete. Die mathematische Modellierung des Reglers wurde 1868 von Maxwell analysiert. Im 19. Jahrhundert entwickelten Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace und Joseph Fourier verschiedene Methoden zur mathematischen Modellierung. Das zweite System gilt als Al Butz’s Damper Flapper – ein Thermostat aus dem Jahr 1885. Er gründete das Unternehmen, das heute Honeywell heißt.
Das beginnende 20. Jahrhundert wird als das goldene Zeitalter der Regelungstechnik bezeichnet. In dieser Zeit wurden klassische Regelungsverfahren an den Bell Laboratories von Hendrik Wade Bode und Harry Nyquist entwickelt. Automatische Steuergeräte für Schiffsruder wurden vom russisch-amerikanischen Mathematiker Minorsky entwickelt. Er führte auch in den 1920er Jahren die Konzepte der Integral- und Differenzialregelung ein. Gleichzeitig stellte Nyquist das Stabilitätskonzept vor, das von Evans weitergeführt wurde. Die Transformationen in Regelungssystemen wurden von Oliver Heaviside angewendet. Moderne Regelungsverfahren wurden nach den 1950er Jahren von Rudolf Kalman entwickelt, um die Grenzen der klassischen Methoden zu überwinden. PLCs wurden 1975 eingeführt.
Arten der Regelungstechnik
Die Regelungstechnik hat ihre eigene Kategorisierung, abhängig von den verschiedenen verwendeten Methodologien. Die Hauptarten der Regelungstechnik umfassen:
Klassische Regelungstechnik
Moderne Regelungstechnik
Robuste Regelungstechnik
Optimale Regelungstechnik
Adaptive Regelungstechnik
Nichtlineare Regelungstechnik
Spieltheorie
Klassische Regelungstechnik
Die Systeme werden in der Regel durch gewöhnliche Differentialgleichungen dargestellt. Bei der klassischen Regelungstechnik werden diese Gleichungen in eine transformierte Domäne transformiert und analysiert. Laplace-Transformation, Fourier-Transformation und z-Transformation sind Beispiele. Diese Methode wird hauptsächlich in Ein-Ausgangssystemen (SISO) verwendet.
Moderne Regelungstechnik
In der modernen Regelungstechnik werden höhere Ordnungen von Differentialgleichungen in erste Ordnung umgewandelt. Diese Gleichungen werden ähnlich wie bei Vektorverfahren gelöst. Auf diese Weise werden viele Komplikationen beim Lösen höherer Ordnungen von Differentialgleichungen gelöst.
Diese werden in Mehrgrößensystemen angewendet, wo eine Analyse in der Frequenzdomäne nicht möglich ist. Nichtlinearitäten mit mehreren Variablen werden durch moderne Methoden gelöst. Zustandsraumvektoren, Eigenwerte und Eigenvektoren gehören zu dieser Kategorie. Zustandsvariablen beschreiben Eingänge, Ausgänge und Systemvariablen.
Robuste Regelungstechnik
Bei der robusten Regelungsmethodik werden die Änderungen in der Leistung des Systems infolge von Parameteränderungen gemessen, um eine Optimierung zu erreichen. Dies hilft, die Stabilität und Leistung zu erweitern und alternative Lösungen zu finden. Daher werden in der robusten Regelung Umgebung, interne Ungenauigkeiten, Rauschen und Störungen berücksichtigt, um Fehler im System zu reduzieren.
Optimale Regelungstechnik
In der optimalen Regelungstechnik wird das Problem als mathematisches Modell des Prozesses, physikalischer und leistungsbezogener Einschränkungen formuliert, um die Kostenfunktion zu minimieren. Die optimale Regelungstechnik ist somit die am meisten praktikable Lösung, um ein System mit minimalen Kosten zu entwerfen.
