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Regelungstechnik

Digitale-Regler

In unserer bisherigen Betrachtung sind wir immer von analogen Reglern ausgegangen. Nun wollen wir jedoch dem Wirkprinzip von digitalen Reglern auf die Spur gehen. 

Wir erinnern uns:

Das Wirkprinzip von analogen Reglern sieht vor aus einem analogen Wert (vorliegende Regeldifferenz) auf analoge Weise die Reglerausgangsgröße zu bestimmen. Das entsprechende Regelkreisschema siehst du nachfolgend:

Regelkreis mit analoger Regelung
Regelkreis mit analoger Regelung

Dass diese Variante funktioniert ist ja nicht bestreitbar, dennoch ergeben sich einige Vorteile, wenn man die eigentliche Auswertung der Regeldifferenz digital vollzieht. 

Vorteile der digitalen Regler

  • So lässt sich die Relation zwischen Regeldifferenz und Reglerausgangsgröße digital bedeutend flexibler festlegen. Hierzu formuliert man beispielsweise einen passenden Algorithmus mit dem ein Programm am Rechner arbeitet. 
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass innerhalb der Digitaltechnik eine Vielzahl von Reglern auf kleinsten Raum implementiert werden können. 
  • Ferner erlaubt die Digitaltechnik durch Aufteilung der Rechenzeit, vorausgesetzt die Rechenkapazität ist ausreichend, dass mehrere Regelkreise mit einem einzigen Rechner als Regelglieder geregelt werden.

Analog-Digital-Umsetzer, Digital-Analog-Umsetzer

Damit eine digitale Verarbeitung der analogen Größen überhaupt funktioniert, müssen Führungsgröße und Rückführgröße innerhalb eines ADU (Analog-Digital-Umsetzer) in digitale Größen überführt werden. Hierbei werden die analogen Größen voneinander mit Hilfe eines digitalen Vergleichsglieds subtrahiert und anschließend die Differenz an das digitale Regelglied überführt. Die sich ergebende digitale Reglerausgangsgröße wird im Anschluss mit einem DAU (Digital-Analog-Umsetzer) wieder in eine analoge Größe überführt. 

Merke

Hier klicken zum AusklappenVon außen betrachtet erscheint die Kombination aus Wandlern, Vergleichsglied und Regelglied weiterhin als analoger Regler. 

In der nächsten Abbildung siehst du den Aufbau eines Digitalreglers:

Regelkreis mit digitaler Regelung
Regelkreis mit digitaler Regelung

Nachteil/Problem der digitalen Regler

Wählt man einige Größen des digitalen Reglers zu klein, so kann dies zu Ungenauigkeiten der Regelung führen

Checkliste für die Nutzung eines digitalen Reglers

  1. Quantisierungsauflösung der Digital-Analog-Umsetzer: 
    Es wird ermittelt wie fein die Rasterung des stetigen Wertebereichs ausfällt. Es empfiehlt sich die Auflösung hoch anzusetzen, damit keine Feinheiten der Regelung verloren gehen. 
  2. Abtastrate der Analog-Digital-Umsetzer:
    Hier überprüft man die Frequenz, mit der die analogen Werte am Wandler in digitale Werte überführt werden. Auch hier gilt es hoch anzusetzen damit die Reaktionsrate auf plötzliche Änderungen der Regelgröße minimal gehalten wird. 
  3. Zykluszeit:
    Im Gegensatz zu analogen Reglern arbeiten digitale Regler in Taktzyklen. Daher muss der eingesetzte Rechner derart schnell sein, dass innerhalb eines Taktzyklus keine signifikanten Änderungen der Regelgröße auftreten können. Anders gesprochen: Die Zeit, in welcher der Ausgangswert berechnet und der Eingangswert nicht abgefragt wird, muss minimal sein. 

Merke

Hier klicken zum AusklappenEin optimaler digitaler Regler muss nach außen hin so direkt und präzise reagieren, dass er von einem analogen Regler nicht zu unterscheiden ist.