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Grundlagen: Regelstrecke
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Die Regelstrecke ist ein System, das durch den Regler in seinen Regelgrößen verändert oder konstant gehalten wird. Das kann beispielsweise ein Motor inklusive der davon angetriebenen Maschine sein. Regelgrößen können Parameter wie die Drehzahl sein, die von einem Steuerungssystem vorgegeben und nach Abgleich mit den Daten aus einem Messinstrument (z.B. ein Drehgeber am Motor) vom Regler angepasst werden.
Die Regelstrecke genau zu analysieren und den Regler optimal darauf einzustellen ist ein wesentlicher Faktor in der Prozessoptimierung von Industriemaschinen. Hier liegen große Potenziale, die Betriebs- und Wartungskosten deutlich zu reduzieren.
Folgender Glossar-Artikel beinhaltet:
Definition
Regelstrecke ist ein abstrakter Begriff, der innerhalb eines Regelkreises bezeichnet, was zwischen Messinstrument und Regler liegt. Das bedeutet, es handelt sich physisch um das System, das in seinen Regelgrößen angepasst werden soll, z. B. einen Servomotor. Die Strecke in der Regelungstechnik erschöpft sich aber nicht in der rein physischen Größe, sondern bezieht auch andere Parameter mit ein, die das Verhalten der Regelstrecke in der Praxis spiegeln.
Funktionsweise anhand einer Drehzahl-Regelstrecke
Um zu verstehen, was die Regelstrecke ist, wird das Gesamtsystem anhand eines Servoantriebs im Hinblick auf die Drehzahlregelung beispielhaft dargestellt. Die wichtigsten Komponenten in diesem vereinfachten, schematischen Überblick sind:
- Drehgeber (z.B. Resolver)
- Software
- Servoregler
- Servomotor
1. Drehgeber (z.B. Resolver):
Das Bauteil wird direkt mit der Motorwelle verbunden und nimmt deren Rotation auf. Im Inneren befindet sich eine Rotorwicklung und außen zwei rechtwinklig angeordnete Statorwicklungen. Durch Stromzufuhr kann der Fluss zwischen Statoren und Rotor gemessen und in ein Signal umgewandelt werden, das die Rotation im Zeitverhältnis, also die Drehzahl, wiedergibt. Hier wird der Ist-Wert ermittelt.
2. Software:
In der angeschlossenen Software können digital Soll-Werte eingestellt werden, die einen reibungslosen und effizienten Betrieb des Antriebs bzw. der davon angetriebenen Maschine gewährleisten.
3. Servoregler:
Der Regler nimmt eine Abstimmung zwischen den Soll-Werten, die mittels eines Softwaretools im Servoregler parametriert wurden, und Ist-Werten vom Drehgeber (z.B. Resolver) vor. Sollten hier Diskrepanzen auftreten, kann nachgeregelt werden.
Zusammen entsteht der Regelkreis. Über den Motor, das Messinstrument Drehgeber und den Regler entsteht also ein Kreislauf, in dem eine permanente Abstimmung zwischen Soll- und Ist-Werten stattfindet – die Drehzahl (Regelgröße) lässt sich in der Folge präzise regeln und kontrollieren.
Die Regelstrecke ist dabei der Teilbereich zwischen Servoregler und Drehgeber (z.B. Resolver) und damit das System, dessen Regelgröße beeinflusst werden soll. In diesem Fall ist die Regelstrecke zum Beispiel der Servomotor (4), dessen Drehzahl reguliert wird. Es handelt sich aber nicht rein physisch nur um den Motor, sondern auch um dessen Verhalten. Teil der Regelstrecke ist deshalb auch das, was die Drehzahl effektiv beeinflusst – beispielsweise Reibungswiderstände und deren Auswirkungen auf das Verhalten des Motors, das in der Folge nicht linear ist.
Sprungantwort der Regelstrecke
Der Regler gibt einen Stellgrößensprung vor. Die Sprungantwort ist die Reaktion des Systems darauf im Verhältnis zur Zeit. Dabei gibt es verschiedene Regelstrecken Typen. Man unterscheidet unter anderem die Regelstrecke mit Ausgleich und die Regelstrecke ohne Ausgleich. Im ersten Fall wird bei konstantem Eingang ein auf bestimmtem Niveau gleichbleibender Ausgangswert angestrebt. Ohne Ausgleich ist der Ausgang stetig ansteigend. Außerdem ist die Regelstrecke mit Totzeit ein Beispiel in der Praxis. Diese beschreibt Verzögerungen des Signals, beispielsweise durch dessen Laufzeiten.
Analyse und Optimierung in der Praxis
Eine präzise Analyse einer Regelstrecke und eine darauf basierende optimierte Anpassung der Parameter können effektiv dazu beitragen, Kosten zu sparen und Stillstandzeiten auf ein Minimum zu reduzieren. Intelligente Antriebstechnik von Baumüller legt darauf einen deutlichen Fokus.
Unser Parametrier- und Diagnosetool ProDrive ist optimal dafür ausgelegt und erlaubt eine effiziente Selbstoptimierung der Regler-Parameter für Ihre individuelle Regelstrecke.
Zusammenfassung
Die Regelstrecke ist eine abstrakte Größe, die ein zu regelndes System inklusive aller Eigenschaften und Verhaltensweisen beschreibt. Als Teil des Regelkreises liegt sie zwischen dem Regler selbst und dem Messinstrument, das die Ist-Werte der Regelgrößen zur Verfügung stellt. Die Strecke selbst kann durch eine durchdachte Bauweise bereits optimiert werden, wie es bei Baumüller-Servomotoren der Fall ist. In der Praxis wird das aber auch stark durch die davon angetriebenen Systeme beeinflusst. Die exakte Analyse des konkreten Verhaltens – beispielsweise unter maximaler Last oder unter bestimmten Drehzahlen – und die entsprechende Anpassung des Reglerverhaltens sind wesentliche Bestandteile der Prozessoptimierung und damit der Senkung von Betriebskosten.
Matthias Beetz
Training Engineer Academy I Baumüller Nürnberg GmbH