Wir hören den Begriff “Regelung” ständig - vor allem in den Bereichen Automatisierung, Bewegungssteuerung und Servosysteme. Aber was bedeutet er eigentlich? Und - noch wichtiger - warum ist es für Ingenieure so wichtig, ob ein System gesteuert oder geregelt ist?
Im Kern ist die Regelung eine einfache Idee: Man misst, was passiert ist, vergleicht es mit dem, was man erreichen wollte, und korrigiert automatisch die Eingabe, um den gewünschten Sollwert zu halten.
Dieser Rückkopplungsschritt macht aus einem “Einstellen und hoffen”-Prozess einen Prozess, der das Ziel auch dann halten kann, wenn das wirkliche Leben in die Quere kommt - wechselnde Lasten, Temperaturdrift, Reibung, Verschleiß, Spannungsabfall oder Luftstromveränderungen.
Wenn Sie schon einmal beobachtet haben, wie ein Thermostat um eine Temperatur “jagt” oder eine Servoachse genau auf einer befohlenen Koordinate landet, dann haben Sie gesehen, wie eine Regelung das tut, was sie am besten kann: die Realität so lange korrigieren, bis sie dem Ziel entspricht.
In diesem Artikel werden wir die Regelung in einfachen Worten erklären: was sie ist, wie sie funktioniert und wie sie sich von der offenen Regelung unterscheidet. Anschließend gehen wir auf die praktische Seite ein - Leistungsmerkmale, Abstimmung und die tatsächliche Umsetzung der Regelung in industriellen Systemen wie Servoantrieben.
Was ist ein geschlossener Regelkreis?
Ein geschlossener Regelkreis ist ein Regelsystem, dessen Wirkung von der gemessenen Leistung über eine Rückkopplungsstrecke abhängt. Auf diese Weise kann das System eine Prozessvariable automatisch so regeln, dass sie mit einer Sollwertvorgabe übereinstimmt.
In einem geschlossenen Regelkreis misst ein Sensor oder Messwandler den Ausgang (oder eine Funktion davon). Diese Messung kehrt als Rückkopplungssignal zurück, und der Regler berechnet einen Fehlersignal aus der Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert.
Der Regler steuert dann das Stellglied an, um die Anlage/den Prozess zu beeinflussen und den Fehler zu verringern. Da sich der Regelkreis kontinuierlich selbst korrigiert, wird die Regelung auch als "closed-loop" bezeichnet Rückkopplungskontrolle, und ist die Standardwahl, wenn Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Störungsunterdrückung wichtiger sind als Einfachheit.
Warum sind geschlossene Kreislaufsysteme wichtig?
Systeme mit geschlossenem Regelkreis sind wichtig, weil ein Regler durch die Rückkopplung Störungen und Abweichungen in Echtzeit korrigieren kann, so dass die Leistung auch dann stabil bleibt, wenn die Umgebung nicht stabil ist.
Ladungen ändern sich. Die Temperaturen schwanken. Die Reibung nimmt zu. Die Versorgungsspannung sinkt. Ein gut konzipierter geschlossener Regelkreis erkennt diese Abweichungen und gleicht sie aus, so dass der Ausgang wiederholbar und weniger empfindlich gegenüber äußeren Bedingungen ist.
Diese Zuverlässigkeit ist genau der Grund, warum geschlossene Regelkreise in der modernen Automatisierungstechnik allgegenwärtig sind. Digitale Steuerungen - ob Mikrocontroller, SPS oder die Prozessoren in einem ADVANCED Motion Controls-Servoantrieb - können mehrere Sensoren lesen und die Ausgänge schneller koordinieren als jeder menschliche Bediener.
Closed-Loop vs. Open-Loop-Steuerung
Die Regelung nutzt die Rückmeldung des Ausgangs, um den Regelvorgang anzupassen. Bei der offenen Regelung ist das nicht der Fall. Dieser eine Satz macht den ganzen Unterschied aus - und er erklärt eine Menge.
Ein System mit offenem Regelkreis folgt einem Befehlsplan, unabhängig davon, ob die Leistung dem Ziel entspricht oder nicht. Ein einfaches Heizgerät könnte zum Beispiel jede Stunde 10 Minuten lang laufen. Das mag an einem milden Tag funktionieren, aber es passt sich nicht an, wenn der Raum kälter ist oder ein Fenster offen gelassen wird. Ein System mit geschlossenem Regelkreis misst die tatsächliche Temperatur und lässt die Heizung nur so lange laufen, bis der Sollwert erreicht ist.
Das industrielle Risiko von Open-Loop
Wenn man von Thermostaten auf Maschinen zoomt, wird der Unterschied kritisch. Bei der Bewegungssteuerung mit offenem Regelkreis muss der Regler setzt voraus. die befohlene Bewegung stattgefunden hat. Wenn eine Achse blockiert, verrutscht, stehen bleibt oder Schritte verliert, macht das Programm trotzdem weiter, weil es keine Rückmeldung gibt, die besagt: “Wir haben es nicht geschafft”.”
An dieser Stelle wird der Ausfall der offenen Schleife zu einem Sicherheitsproblem. Die nächste Werkzeugbewegung könnte auf einer Position basieren, die nur in der Software existiert. Diese Diskrepanz kann zu abgestürzten Werkzeugen, ausgeschnittenen Teilen, gebrochenen Vorrichtungen und mechanischen Kollisionen führen.
Die Regelung mit geschlossenem Regelkreis erfordert zusätzliche Sensoren und einen höheren Abstimmungsaufwand, ist aber der Standardweg zu Genauigkeit und Robustheit. Wenn sich die Last ändert oder eine Achse verzögert, zeigt das Rückführungssignal die Abweichung an und der Regler korrigiert sie - oder löst einen Fehler aus, bevor ein Schaden entsteht.
Wie funktioniert ein geschlossener Regelkreis?
Ein System mit geschlossenem Regelkreis arbeitet, indem es den Ausgang misst, ihn mit einem Sollwert vergleicht und auf der Grundlage des resultierenden Fehlers Korrekturmaßnahmen einleitet.
Der entscheidende “Denkpunkt” in der Schleife ist das Vergleichselement - oft als Summierknotenpunkt-wobei der Sollwert und die Rückführungsmessung algebraisch kombiniert werden.
Die kanonische Beziehung ist:
$$Error = Sollwert - Istwert$$
- Fällt der Ausgang unter den Sollwert, wird die Regelabweichung positiv, und der Regler erhöht den Eingang.
- Steigt der Ausgang über den Sollwert, wechselt der Fehler das Vorzeichen, und der Regler schaltet zurück.
Das Ergebnis ist eine Störungskorrektur. Wenn eine Störung den Ausgang vom Ziel ablenkt, z. B. ein plötzlicher Lastanstieg an einem Motor, erkennt der Sensor die Abweichung sofort, und der Regler gleicht sie aus, bis der Ausgang wieder innerhalb der Grenzen liegt.
Wie wird der Rückkopplungskreis in einem Servoantrieb geschlossen?
In the context of motion control, the Servoantrieb is the “brains + muscle” package. It reads feedback, computes error, and pushes torque until the error shrinks to zero.
Bei ADVANCED Motion Controls entwickeln wir unsere Antriebe nach einem Verschachtelte Schleife Architektur. Die meisten Servosysteme arbeiten nicht nur mit einer Schleife, sondern mit drei Schleifen, die jeweils auf eine andere Variable und Zeitskala ausgerichtet sind:
- Aktuelle (Drehmoment-)Schleife (innerste, schnellste): Dieser Regelkreis steuert den Motorstrom, um das gewünschte Drehmoment zu erzeugen. Sie muss extrem schnell sein, um die elektrische Dynamik der Motorwicklungen zu bewältigen.
- Geschwindigkeitsschleife (Mitte): Diese Schleife steuert die Geschwindigkeit. Sie verwendet eine Geschwindigkeitsschätzung (die oft aus der Encoder-Rückmeldung abgeleitet wird), um das Drehmoment zu steuern. Wenn die Last steigt und die Geschwindigkeit sinkt, befiehlt diese Schleife mehr Strom, um dies auszugleichen.
- Position Schleife (Äußerste): Diese Schleife vergleicht die befohlene Position mit der gemessenen Position. Sie erzeugt Geschwindigkeitsbefehle, um den “Schleppfehler” zu eliminieren.”
Wie “schiebt” der Servoantrieb also stärker, wenn sich die Last ändert? Er passt die durchschnittliche Motorspannung und den von der Endstufe gelieferten Strom an, in der Regel durch PWM-Schaltung (Pulsweitenmodulation).
Wenn die Achse unter Last langsamer wird, zeigt die Rückkopplung den Geschwindigkeitsabfall an, der Fehler steigt, und der Antrieb reagiert, indem er mehr Strom (mehr Drehmoment) befiehlt, bis die Zielgeschwindigkeit wieder erreicht ist. Diese Robustheit ist der Hauptvorteil der Servosteuerung gegenüber Schrittmotor- oder Open-Loop-Systemen.
Was ist Dual Loop Control?
Standardservosysteme verwenden ein einziges Rückmeldegerät (normalerweise am Motor) für alle drei Regelkreise. In hochpräzisen Anwendungen jedoch, Doppelschleifensteuerung bietet einen erheblichen Vorteil.
Die Zweikreisregelung verwendet zwei Messpunkte zur Steuerung einer Achse:
- EIN Motor Drehgeber für die Geschwindigkeitsschleife (Stabilität).
- EIN Lastgetragene Linearwaage für die Positionsschleife (Genauigkeit).
Warum aufteilen?
Denn Motor und Last sind nicht immer identisch. Riemen dehnen sich, Kupplungen verdrehen sich, und Zahnräder haben Spiel. Ein Motordrehgeber kann eine perfekte Drehung melden, während die Last aufgrund mechanischer Nachgiebigkeit tatsächlich hinterherhinkt.
Bei der Dual-Loop-Regelung bleibt der innere Geschwindigkeitsregelkreis durch die Motorrückführung eng und gleichmäßig, während sich der äußere Positionsregelkreis auf der linearen Skala schließt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Regler so lange fährt, bis die tatsächliche Belastung das Ziel erreicht, nicht nur die Motorwelle.
Abstimmung eines Closed-Loop-Systems
Tuning ist der Prozess der Auswahl von Reglerparametern (wie P-, I- und D-Verstärkungen), damit der Regelkreis die Leistungsziele erreicht, ohne instabil zu werden.
- Definieren Sie Ziele: Geben Sie die Toleranzen für den stationären Fehler, das Überschwingen und die Einschwingzeit an.
- Identifizieren Sie die Pflanze: Verstehen Sie, was Sie kontrollieren (Trägheit, Reibung, Resonanz).
- Legen Sie die Anfangsgewinne fest: Beginnen Sie konservativ. Hohe Verstärkungen verringern den Fehler, erhöhen aber das Risiko von Oszillationen.
- Bestätigen: Testen Sie unter Worst-Case-Lasten und -Störungen. Eine Schleife, die in der Luft stabil ist, kann schwingen, wenn sie mit einer schweren Last gekoppelt ist.
Das größte technische Risiko bei der Regelungstechnik ist Instabilität. Zu viel Verstärkung oder zu viel Verzögerung (Latenz) kann dazu führen, dass das System in Eigenschwingung gerät. Die richtige Abstimmung findet die “Goldlöckchen”-Zone - steif genug, um Störungen zu unterdrücken, aber gedämpft genug, um stabil zu bleiben.
Fazit
Ein geschlossener Regelkreis ist im Grunde ganz einfach: Ausgang messen, Fehler berechnen und Eingang korrigieren. Und doch ermöglicht diese einzige Idee die Präzisionsautomatisierung, auf die wir uns heute verlassen - von thermischen Systemen bis hin zur mehrachsigen Robotik.
Auch wenn die Komplexität der Sensoren und der Abstimmung zunimmt, sind die Vorteile der Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Störungsunterdrückung unverzichtbar. Ob Sie nun eine PID-Schleife abstimmen oder ein mehrachsiges Servosystem in Betrieb nehmen, das Prinzip bleibt dasselbe: Vertrauen Sie dem Feedback, aber respektieren Sie die Physik.
