Einfache Heizungs-Regelung

Ein einfaches Beispiel einer Heizungsregelung ist z.B. ein Thermostatventil an einem Heizkörper.
In diesem einfachen Beispiel ist gut zu erkennen, dass das charakteristische an einer Regelung, die Rückführung ist. Im Gegensatz zu einer Steuerung, wo etwas bewirkt wird, ohne Rücksicht auf das was dadurch passiert, wird bei einer Regelung das Ergebnis erfasst und erneut der Regelung zugeführt.
Man spricht daher auch von einem Regelkreis. Im Prinzip ist die Rückführung das Entscheidende an einer Regelung. In diesem Beispiel wird durch Öffnung eines Ventiles am Heizkörper, der Heizkörper durch das heiße Wasser erwärmt und erwärmt seinerseits dann den Raum. Das Thermostatventil erfasst aber die Raumtemperatur und wirkt der Öffnung des Thermostatventis entgegen. Diese Änderung des Stellausganges und der Raumtemperatur wird so lang erfolgen, bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat und der Regelvorgang zur Ruhe kommt. Wenn wir an dem Thermostatventil nun die Einstellung am Drehgriff verändern, wird sich nach einer gewissen Zeit ein anderer Sollwert bei der Raumtemperatur einstellen, so lange, bis wieder der neue eingestellte Wert erreicht ist. Wir verstellen mit dem Drehgriff am Thermostatventil hierbei den Sollwert, für die Raumtemperatur.
Die Elemente, die den Istwert erfassen, dem Regler zuführen, den Regler selbst, sowie den Stellwert und das Stellglied werden als Regelstrecke bezeichnet (Temperaturfühler - Istwert - Regler - Stellwert - Stellglied). Die sich einstellende Raumtemperatur aufgrund der veränderten Ventileinstellung ist hier die Rückführung. Das ganze ist dann der eigentliche Regelkreis. Wichtig an der Sache ist auch die Invertierung des Signales. Das heist, wenn die Temperatur an der Erfassung steigt, wird das Stellsignal (hier der Durchfluss) verkleinert (invertiert). Man spricht hier auch von Wirksinnumkehr.
Wenn wir das ganze Verhalten der Regelstrecke und des Reglers über die Zeit ansehen, so können wir das Verhlten der einzelnen Komponenten in einem Diagramm, einer Sprungantwort verdeutlichen. In diesem Beispiel wurde zum Zeitpunkt t(0) der Sollwert von T1 auf T2 verändert violette-Linie. Man kann dann das Verhalten der Regelstrecke und des Reglers als Kurven erkennen. Es entsteht dabei sofort eine Reglerabweichung, in Höhe der Temperatur T2-T1. Der Regler erzeugt aus dieser Reglerabweichung direkt einen neuen Stellwert Y2. Dieser sorgt für einen höheren Wasserdurchfluss im Ventil und bringt mehr Wärmemenge in den Heizkörper, was seinerseits den Heizkörper und damit auch die Raumtemperatur, den Istwert X, erhöht. Man kann aber deutlich erkennen, dass die Raumtemperatur, also der Istwert nicht sofort, sondern erst nach einer gewissen Zeit einen neuen Wert erreicht. Der neue Wert ist dann erreicht, wenn der Unterschied zwischen Soll- und Istwert zu Null wird. Wenn der Istwert aber den Sollwert erreicht hat müsste keine weitere Wärmeenergie mehr in den Raum eingebracht werden und der Stellwert würde dann zu Null werden. Eigentlich würde sich der Stellwert Y exakt wie die Reglerabweichung W-X verhalten, da er ja aus dieser berechnet wird. Warum das aber hier nicht so ist, liegt an einem weiteren Einfluss, den wir berücksichtigen müssen. Der Raum verliert mit der Zeit aber Wärme, durch den Abfluß von Energie, z.B. durch Wände oder Undichtigkeiten. Diesen Einfluß nennen wir Störgröße. Wir müssen daher dem Raum schon Energie zuführen, um überhaupt einen konstanten Temperatur-Wert einhalten zu können. Der Stellwert Y1 vor dem Ereignis, wird durch die hohe Reglerabweichung zum Zeitpunkt t(0) auf den Wert Y2 gebracht und sinkt dann in einer Kurve auf den letztendlichen Endwert Y3 ab. Der Wert Y3 ist aber höher, als der zuvor vorhandene Stellwert Y1, das liegt daran, dass der Wärmeabfluss aus dem Raum höher ist, je größer der Unterschied zwischen Aussentemperatur und der Innnentemperatur ist. Die Störgröße ist der eigentliche Grund, warum wir eine Regelung brauchen, denn nur eine Regelung, die auf Veränderungen zwischen Soll- und Istwert reagiert, kann für einen relativ konstanten Istwert sorgen.
Dass das ganze natürlich nur dann funktioniert, wenn sowohl der Heizkörper die entsprechende Leistung und das Ventil den erforderlichen Durchfluss besitzt, versteht sich von selbst. Die Komponenten des Regelkreises müssen daher im Regel-Bereich liegen, damit sich ein Regelpunkt einstellt. Der Regelpunkt muss auch innerhalb des Einstellwertes ders Sollwertstellers befinden. Für die Funktion einer Regelung ist daher die richtige Auslegung (Dimensionierung) aller massgeblichen Komponenten wichtig.