I-Regler (BIR1)

In der Regelungstechnik ist der I-Regler Bestandteil des einschleifigen Regelkreises gem. Abb.1:

Im störungsfreien Idealfall stimmen der Vorgabewert w (z.B. Drehzahlwert eines Motors laut Programm) und der Istwert x (tatsächlich gemessene Drehzahl im Prozess) überein. In einem solchen Fall ist die Regelabweichung e zwischen Soll- und Istwert Null. Die Übereinstimmung von Soll- und Istwert kann aber durch auftretende Störungen z (z.B. Lastschwankungen, Reibung) nicht immer gegeben sein. Jetzt ist es die Aufgabe der Regelung diesen Unterschied durch einen ständigen Vergleich von Führungs- und Regelgröße selbständig zu erkennen und gegebenenfalls auszuregeln, bis der Vorgabewert mit dem Istwert wieder übereinstimmt.

Die Regelung erfordert die kontinuierliche Messung der Istgröße und den Vergleich mit der Sollgröße. Dies geschieht in einem geschlossenen Wirkungsablauf. Man spricht wegen der Kreisstruktur von einem Regelkreis.

In der Praxis kommen ganz unterschiedliche Regelungsstrukturen zum Einsatz. Diese unterscheiden sich vor allem in der Art und Weise, wie für einen betrachteten Regelkreis die Führungsgröße w generiert wird. Dies beeinflusst auch die Reglereinstellung, denn es ist regelungstechnisch ein Unterschied, ob sich in erster Linie die Führungsgröße des Regelkreises ändert oder ob vor allem Störgrößen auszuregeln sind.

• Das Führungsverhalten wird danach beurteilt, wie schnell und exakt die Regelgröße einen neu vorgegebenen Sollwert erreicht.
• Ein gutes Störungsverhalten ist dadurch gekennzeichnet, dass der Regler beim Auftreten einer Störung den ursprünglichen Gleichgewichtszustand sehr schnell wiederherstellt.

Das vorliegende Lehrmittel I-Regler des Trainingssystems BASICS ist für den Ein-satz im Bereich der Regelungstechnik konzipiert. Das allgemein verwendete Symbol des I-Reglers, seine Sprungsantwort, zeigt Abb.3: 

Abb.4 zeigt den Einsatz des I-Reglers im einschleifigen Regelkreis:

Die Aktorik umfasst die gesamte Stelleinrichtung mit allen technologischen Einzelheiten. Dies ist besonders dann zu beachten, wenn hier größere Energien umgesetzt werden.

Der Messwandler verarbeitet die Signale des Sensors am Messort. In der Übertragungseinheit ist stellvertretend die gesamte Wandlungskette inklusive aller Übertragungskomponenten (Transmitter) udgl. enthalten.

In erster Linie besteht die Aufgabe des Reglers darin, plötzlich auftretende Störungen so schnell und so genau wie möglich auszuregeln und damit die aufgrund einer Störung entstandene Differenz zwischen Soll- und Istwert zu Null zu machen bzw. zu reduzieren. Allein das Halten eines bereits eingestellten Istwertes erfordert auch eine Regelung.

Wie das Regelverhalten aussieht, hängt schließlich von allen Regelkreiskomponenten und deren Zusammenwirken ab.

Wenn alle Regelkreiskomponenten ausgewählt und eingestellt sind und die Regelstrecke in ihrem Wesen (Strecke mit Ausgleich oder ohne Ausgleich) bekannt ist, dann bestimmt der Typus des Reglers mit seinen (im stetigen Fall) drei möglichen Varianten (P, I und D) dieses Regelverhalten. Der Anwender hat dann die Aufgabe, die „optimale“ Einstellung durch Wahl geeigneter Werte für die Regelparameter (hier T_i) herauszufinden.

Abb.5: Sprungantwort, Parameter und Symbol des I-Reglers

Aus der oberen Darstellung ist erkennbar, wie sich der Wert für den Parameter K_i sehr einfach grafisch ermitteln lässt. Der Integrationsbeiwert K_i ergibt sich danach aus dem Verhältnis von Änderungsgeschwindigkeit der Stellgröße am Ausgang zum Betrag der Regelgröße am Eingang. Je größer der Wert ist, desto stärker ist die Reaktion des I-Reglers auf die Regelabweichung.

Aus der mathematischen Herleitung ist zu erkennen, dass der Kehrwert des Integrationsbeiwertes K_i, eine Zeitkonstante ist. Sie wird als Integrierzeit T_i bezeichnet und entspricht daher einer Stellzeit. So kann man entweder mit dem Parameter K_i oder Ti arbeiten. Beides kommt in der Praxis vor. Aus der oberen Abbildung ist erkennbar, dass man auch die Integrationszeit T_i bei gleicher Achseneinteilung direkt aus der Sprungantwort ablesen kann. Es handelt sich dann um die Zeit, die der Reglerausgang benötigt, bis er die Höhe des Regelgrößensprungs erreicht (horizontale gestrichelte Linie).

Variante A und B

Damit möglichst viele Anwendungen mit dem I-Regler realisiert werden können, wird er in zwei Varianten ausgeliefert, d.h. durch die entsprechende Bestückung kann jeweils eine Variante fest aufgebaut werden. Grundsätzlich werden alle Bauteile ausgeliefert, so dass der Anwender entscheiden kann, welche Bestückung in seiner Anwendung die sinnvollste ist. Bei fertig aufgebauten und getesteten Karten wird die Variante A werksseitig bestückt und die zusätzlichen Bauteile für Variante B beigefügt. Dem entsprechend beinhaltet die vorliegende Produktdokumentation auch jeweils zwei Schaltpläne und zwei Stücklisten (Variante A und
Variante B).

So wie die Struktur des PID-Reglers auf die Verschaltung der Einzelkomponenten hinweist, nämlich auf die einfache Addition, so sind auch die Anteile der Zeitfunktionen mathematisch zu addieren, was einer grafischen Überlagerung gleichkommt:

Somit ist der I-Regler Bestandteil des PID-Reglers und des Regelkreises laut Abbildung 8:

Gerade bei empfindlichen Messaufbauten wirkt sich die exakte Kalibrierung eines Reglers sehr vorteilhaft aus. Deshalb besitzt der I-Regler ein Abgleichpotentiometer, mit dessen Hilfe eine exakte Parametereinstellung vorgenommen werden kann.

Eine zuschaltbare Holdfunktion verhindert den natürlichen Drift des Ausgangssignals und macht eine genaue Analyse der integrierenden Eigenschaften des I-Reglers zugunsten des Verständnisses und damit der Ausbildung möglich.

Damit lassen sich alle messtechnischen Voraussetzungen für einen Einsatz des

I-Reglers sowohl als Einzelkomponente als auch als Teilkomponente für einen kombinierten PID-Regler in einem Modul vereinen.

Für eine Schaltungsanalyse sind dokumentierte Messpunkte auf der Platine vorgesehen.

Darüber hinaus befindet sich auf ihr ein separates Padfeld für anwenderspezifische Schaltungserweiterungen.

Die Lieferung erfolgt je nach Best.-Nr. als fertig aufgebaute und getestete Baugruppe (Fertiggerät) bzw. als kompletter Bauteilsatz zu praktischen Lötübungszwecken (Bausatz). Zubehör ist optional und muss extra bestellt werden. Dieses Zubehör gehört nicht zum Lieferumfang.