Einführung

Über dieses Buch

Es gibt Menschen, die aus reinem Interesse zu einem Buch über Regelungstechnik greifen, und solche, die sich im Studium mit diesem Fach auseinandersetzen müssen. Gleichgültig zu welcher Gruppe Sie gehören, es ist prima, dass Sie sich für dieses Buch entschieden haben. Regelungstechnik klingt nüchtern, ist aber eine sehr spannende Sache. Sie findet nicht nur in Maschinen, sondern zum Beispiel auch im Menschen statt. Denken Sie nur daran, dass Ihre Bluttemperatur auf ein zehntel Grad genau geregelt ist. Dieses Buch Regelungstechnik für Dummies möchte zwei Dinge bei Ihnen erreichen. Zum Ersten möchte das Buch Sie im Umgang mit den Methoden der Regelungstechnik fit machen und zum Zweiten möchte es Sie zu einem regelungstechnisch denkenden Menschen werden lassen. Bei vielem, was wir tun, geht es darum, Ziele mit geeigneten Maßnahmen zu erreichen. Sie werden hier die Sprache der Regelungstechnik lernen, also die Begriffe, aber auch die Mathematik der Regelungstechnik. Dass Regelungstechnik nicht ohne Mathematik geht, das wussten Sie ja schon. Dass es aber überhaupt nicht wehtut, das erfahren Sie hier. Beispiele und Programme helfen Ihnen dabei.

Also – dann viel Spaß!

Konventionen in diesem Buch

Sie sollen sich in diesem Buch leicht zurechtfinden. Neben der detaillierten Gliederung in Kapitel und Unterkapitel erleichtern Ihnen folgende Hilfen das Lesen:

• Aufzählungen erfolgen mit einer Häkchenliste.
• Nummerierte Aufzählungen werden verwendet, wenn die Reihenfolge der Schritte wichtig ist.
• Fett Gedrucktes hebt wichtige Textteile hervor.
• Kursiv Gedrucktes erscheint für die Einführung neuer Begriffe, die Sie auch im Stichwortverzeichnis finden.
• Die Auszeichnung Listing wird für Eingaben in Programme und für Webadressen verwendet.
• Kursives Listing steht für Ausgaben von Programmen.

Dann gibt es noch die Textkästen. Das sind meist mathematische Details oder auch interessante Ergänzungen, die Sie nur lesen sollten, wenn es da was zum Auffrischen gibt oder Sie auf ergänzende Details neugierig sind.

Jetzt bekommen Sie noch zwei formale Hinweise. Zum Ersten verwendet dieses Buch für die Sekunde das Einheitenzeichen sec und nicht das übliche s, da die Regelungstechnik s für eine andere wichtige Größe benötigt. Zum Zweiten werden in Abbildungen anders als im Text keine kursiven Formelzeichen verwendet.

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Das Buch besteht aus sechs Teilen mit mehreren Kapiteln. Sie müssen die Kapitel nicht unbedingt der Reihe nach lesen, aber ein reines Nachschlagewerk ist dieses Buch auch nicht. Was die Teile enthalten, erfahren Sie hier.

Teil I: Der Einstieg in ein spannendes Fach

Überall, wo in der Technik eine Maschine Bewegungen und Veränderungen automatisch und mit hoher Genauigkeit ausführt, treffen Sie auf die Regelungstechnik. Sie wird von »Regelungstechnikern« eingerichtet und zum Laufen gebracht, die genau das draufhaben, was Sie in diesem Buch lernen können. Sie werden fasziniert davon sein, was mit der Regelungstechnik möglich ist.

Kapitel 1 zeigt Ihnen, dass die Regelungstechnik als Teilgebiet der Automatisierungstechnik ein Prinzip anwendet, das Sie nicht nur in der Technik finden, sondern das Sie überall in der Natur erkennen können: das Prinzip der Rückkopplung in einem Regelkreis oder wie es im Englischen heißt: feedback control.

Kapitel 2 fängt ganz sachte mit einem Beispiel aus der Mechatronik an. Es erklärt Ihnen, aus welchen Bausteinen ein Regelungstechniker einen Regelkreis aufbaut und wie er dabei vorgeht. Ein Regelkreis besteht immer aus zwei Partnern: dem zu regelnden Prozess und dem, der es macht, dem Regler. Der Regler wirkt auf den Prozess und der Prozess auf den Regler und … Wo ist der Anfang in diesem Kreislauf? Es gibt keinen! Wenn Sie das spannend finden, werden Sie in diesem Buch auf Ihre Kosten kommen.

Nach Kapitel 3 können Sie sich schon mit Regelungstechnikern unterhalten, weil Sie die wichtigsten Begriffe der Regelungstechnik bereits kennengelernt haben. Und behalten Sie bitte auf dem weiteren Weg durch dieses Buch trotz der vielen regelungstechnischen Details das Wesentliche im Blick: das Prinzip der Rückkopplung.

Teil II: Theorie kann praktisch sein

Ingenieure haben ein spezielles Verhältnis zur Mathematik. Sie wenden sie an, um praktische Probleme elegant zu lösen, nach dem Motto »Nur so viel Mathematik wie nötig«. Und da Ingenieure für die Regelungstechnik zuständig sind, können Sie beruhigt und interessiert diesen Teil lesen. Wenn auch manches zunächst etwas theoretisch klingt, für die Anwendung erfahren Sie sofort die praktische Quintessenz.

In einem dynamischen System finden Veränderungen statt. Und natürlich ist ein Regelkreis mit Regelstrecke und Regler ein dynamisches System. Dynamik beschreiben Sie mathematisch mit zeitlichen Differenzialen. Wie Sie damit umgehen, zeigt Ihnen Kapitel 4.

Da aber die Differenzialgleichung nicht des Ingenieurs liebstes Kind ist, macht er daraus schnell eine algebraische Gleichung. Wie Sie damit sehr einfach arbeiten können, erfahren Sie in Kapitel 5.

Schwingungen treten in der Technik häufig auf, teils sind sie erwünscht, teils unerwünscht. Die Regelungstechnik setzt Schwingungen zu Testzwecken ein und hat wieder eine feine Untersuchungsmethode entwickelt, die Sie in Kapitel 6 kennenlernen.

In den Kapiteln 7 und 8 erfahren Sie, wie Sie mit Zustandsgleichungen mehrere Einzelvorgänge auf einen Rutsch erfassen können. Das ist total spannend. Diese Kapitel stellen allerdings etwas höhere Ansprüche an den regelungstechnischen Einsteiger und können zunächst übersprungen werden. Wenn Sie bei Kapitel 14 im übernächsten Teil angekommen sind, wo solche Vorgänge geregelt werden, sollten Sie jedoch vorher auch diese beiden Kapitel gelesen haben. Aber eins nach dem anderen.

Teil III: Der Regelkreis hat Ecken

Hier lesen Sie alles, was ein Regelungstechniker zur Berechnung und technischen Realisierung eines Reglers wissen muss.

Kapitel 9 beschreibt, was einen guten Regler ausmacht. Er muss stabil, genau und schnell sein. Wie Sie diese Eigenschaften erzeugen und überprüfen können, erfahren Sie hier.

Der wichtigste Begriff in der Regelungstechnik ist der sogenannte PID-Regler, den Sie in Kapitel 10 kennenlernen. Sie erfahren die verschiedenen Möglichkeiten, die richtigen Einstellwerte für den PID-Regler zu finden.

In Kapitel 11 lesen Sie etwas darüber, wie durch zusätzliche Maßnahmen im Regelkreis das Regelverhalten noch verbessert werden kann.

Heutzutage steckt in fast jedem Gerät digitale Elektronik. Natürlich hat die Regelungstechnik mit dieser Entwicklung Schritt gehalten. Kapitel 12 befasst sich mit den Besonderheiten des digitalen Reglers. Sie lernen, wie die Dynamik eines Reglers in einem Rechner aussieht.

Digitale Regelgeräte können sehr unterschiedlich aussehen. Aber meistens sieht man außer einer Rechnerbox überhaupt nichts mehr. Den Rest macht die Software. Eine Ausnahme ist der Kompaktregler mit einer realen Bedienfront, mit der Sie noch verstehen können, welche Funktionen der Regler hat. In Kapitel 13 erfahren Sie einiges darüber.

Teil IV: Alles gleichzeitig regeln

Die Regelungstechnik hat in den letzten 40 Jahren eine Alternative zum PID-Regler entwickelt, die Zustandsregelung. Damit ist es möglich, nicht nur eine Prozessgröße, sondern mehrere Prozessgrößen gleichzeitig zu regeln. Die Zustandsregelung gehört unbedingt in ein Buch über Regelungstechnik, da es mittlerweile fester Bestandteil von Vorlesungen ist und es sehr viele industrielle Anwendungen der Zustandsregelung gibt.

In Kapitel 14 lesen Sie, wie eine Zustandsregelung aussieht, wie diese Regelung berechnet wird und welche Vorteile sie hat.

Aber wie es oft so ist, wo Vorteile sind, gibt es auch Nachteile. Der Nachteil der Zustandsregelung liegt häufig darin, dass nicht alles, was Sie für die Regelung benötigen, an der Anlage gemessen werden kann. Abhilfe schafft das Verfahren des Beobachters, das in Kapitel 15 vorgestellt wird.

Auch ein Zustandsregler wird natürlich als Programm auf einem Rechner realisiert. Näheres dazu erfahren Sie in Kapitel 16.

Teil V: Optimales, Menschliches und Hilfreiches

Mit drei interessanten Kapiteln, die auf keinen Fall fehlen dürfen, können Sie Ihr Wissen über die Regelungstechnik abrunden.

Sie erfahren in Kapitel 17 einiges über Optimierung und optimale Regler. Sie werden feststellen, dass das Optimale nur eine Frage der Bewertung ist.

Einen ganz anderen Weg, um zu einer Regelstrategie zu kommen, beschreitet Kapitel 18. Hier wird das, was der Mensch als Regler tun würde, in leicht verständliche Regeln gegossen – ohne Mathematik.

Alle Verfahren, die Sie in diesem Buch gelesen haben, finden Sie in Programmen für die...