Regelstrecke

Wenn wir einen physikalischen Wert regeln wollen, so müßen wir wissen, wo sich dieser befindet und wie wir ihn beeinflußen können. Wenn wir bei unserem Beispiel, einer Raumtemperaturregelung bleiben, dann ist das Ziel die Raumtemperatur auf einen gewünschten Wert zu bringen und dort zu halten. Die Raumtemperatur befindet sich ja im Raum, genauer gesagt, ist es die Temperatur der Luft in diesem Raum. Um diese zu beeinflussen müssen wir die Luft entweder erhitzen oder kühlen. Wenn wir nun Einschränkungen oder Rahmenbedingungen festlegen, so müssen wir enige Eigenschaften ignorieren. In unserem Beispiel einer Raumheizung legen wir also folgendes fest:

1. Wir wollen mehr oder weniger nur heizen, nicht kühlen.
2. Wir berücksichtigen die Feuchtigkeit im Raum nicht.
3. Wir gehen davon aus, dass die Aussentemperatur niedriger ist als die gewünschte Raumtemperatur, also Heizbetrieb.
4. Wir betrachten den Raum als geschlossen (getrennt von anderen Räumen).
5. Wir haben genügend Heizmedium (warmes Wasser in unserem Heizungsnetz), sowohl in der Menge, als auch im Temperaturniveau (deutlich höher als unser Sollwert) verfügbar.
6. Wir haben ein Hilfsmittel, mit dem wir die Wärmeenergie in den Raum übertragen können (Wärmetauscher = Heizkörper)
7. Wir haben keine nennenswerten Elemente im Raum, die über die Raumluft zusätzlich mit beeinflusst werden müssen (Wärmespeicher in Form von größen Massen)

Es sind also viele Voraussetzungen, die wir zur Bestimmung einer Regelstrecke voraussetzen müssen, um überhaupt die Funktion vernünfig betrachten zu können. Wir nennen die Voraussetzungen, die Rahmenbedingungen. Nur unter definierten Rahmenbedingungen können wir eine Reglstrecke überhaupt betrachten, beurteilen oder berechnen.

Jetzt müssen wir noch eine Möglichkeit schaffen, um dem Wert, den wir beeinflussen wollen (Temperatur) zu erfassen (messen). Dies erfolgt mit einem Sensor, hier ein Temperaturfühler.
Natürlich brauchen wir auch die Möglichkeit die Wärmemenge, die wir dem Raum zuführen gezielt zu beeinflussen. Dies erfolgt mit einem Stellglied, hier ein Ventil, das mehr oder weniger Heiz-Wasser in den Heizkörper durchlässt.
Sowohl der Sensor (Temperaturfühler), als auch das Stellglied (Ventil) sind eigentlich keine Elemente der Regelstrecke, sondern nur Hilfsmittel zur Umsetzung der physikalischen Größen.
Zur Regelstrecke selbst gehören hier, die Luftmenge im Raum und der Heizkörper.

Wenn wir jetzt die Eigenschaft unserer Regelstrecke definieren wollen, so müssen wir ihre Elemte und deren Eigenschaften bezogen auf das Medium und den Messwert kennen. Wenn wir der Einfachheit halber mal annehmen, dass der Heizkörper sofort die Wärme in den Raum überträgt, würde die Luft im Raum kontinuierlich erwärmt werden, solange Wärmeenergie eingebracht wird (Stellwert Y = unverändert). Die Sprungantwort der Regelstrecke verhält sich also wie ein I-Regler, bezogen auf Eingangswert Y und Ausgangswert X, zumindest so lange, bis wir an eine physikalische Grenze stoßen, also so lange wir innerhalb der Regelparameter bleiben.
Es ist hier zu erkennen, dass der Istwert ständig ansteigt, solange wir Wärmeenergie in den Raum einbringen. Genau diesem Effekt, wollen wir ja mit dem Regler entgegen wirken.
Wir dürfen bei der Regelstrecke aber einen wichtigen Faktor nicht unterschätzen, die Störgröße. Das sind alle Einflüße, die auf die Regelstrecke (hier auf den Raum) einwirken und den theoretischen Verlauf des Istwertes (die Raumtemperatur) beeinflussen. Es können mehrere Störgrößen in unterschiedlicher Weise auf die Regelstrecke wirken. Der Effekt des Wärmeverlustes nach aussen, ist am markantesten, denn wenn es draussen kühler ist, als im Raum, wird über Wände, Undichtigkeiten usw. immer etwas Wärme abfliessen. Das bedeutet dass der Istwert etwas langsamer ansteigt, je nach Wärmemenge, die nach aussen dringt. Im Extrem-Fall könnte sogar der Wärmeverlust größer sein, als das Stellglied (Ventil) Wärmeenergie einbringen kann. In diesem Fall würden wir ausserhalb der Regelparameter liegen, denn wir könnten den Istwert (Temperatur) dann gar nicht halten. In diesem Fall würde die Rahmenbedingung "5" nicht mehr zutreffen.
Es gibt natürlich auch Störgrößen, die genau das Gegenteil bewirken, z.B. Fremdwärme in der Regelstrecke, z.B. durch elektrische Geräte. Und dann gibt es noch Störgrößen die nur kurzzeitig, aber dennoch stark einwirken, z.B. geöffnete Fenster.
Je mehr Störgrößen auf eine Regelstrecke (hier der Raum) einwirken, desto wichtiger und anspruchsvoller ist eine Regelung mit Hilfe eines Reglers.