Steuersysteme werden verwendet, um einen Sollwert oder eine gewünschte Ausgabe durch Einstellen eines Eingangssignals aufrechtzuerhalten. Steuersysteme können Open-Loop oder Closed-Loop sein. Steuerungssysteme mit offenem Regelkreis haben keine Rückkopplungsschleife und Steuerungssysteme mit geschlossenem Regelkreis haben eine.
In diesem Artikel erkläre ich, was Kontrollsysteme sind, wie sie funktionieren und wie sie im Alltag eingesetzt werden. Außerdem werde ich einige lustige Fakten über Steuerungssysteme teilen, die Sie vielleicht nicht kennen!
In diesem Beitrag behandeln wir:
- Steuerungssysteme - Die Kunst des Entwerfens und Implementierens
- Open-Loop- und Closed-Loop-Steuerung: Der Unterschied zwischen Selbstkorrektur und festem Ausgang
- Feedback Control Systems: Kontrolle auf die nächste Stufe bringen
- Logiksteuerung: Vereinfachte und effektive Steuerungssysteme
- Ein-Aus-Regelung: Die einfachste Methode zur Temperaturregelung
- Lineare Steuerung: Die Kunst, gewünschte Ergebnisse aufrechtzuerhalten
- Die Fuzzy-Logik: Ein dynamisches Steuersystem
- Zusammenfassung
Steuerungssysteme - Die Kunst des Entwerfens und Implementierens
Steuerungssysteme umfassen den Vorgang des Einstellens und Aufrechterhaltens eines bestimmten Ausgangs durch Anpassen des Eingangssignals. Das Ziel ist es, trotz anfänglicher Änderungen in der Eingabe eine korrekte und konsistente Ausgabe zu erzeugen. Der Prozess umfasst eine Reihe von Phasen, darunter die folgenden:
- Eingangsstufe: wo das Eingangssignal empfangen wird
- Verarbeitungsstufe: Hier wird das Signal verarbeitet und analysiert
- Ausgangsstufe: Hier wird das Ausgangssignal erzeugt
Die Rolle von Steuerungssystemen in der Produktion
Steuerungssysteme spielen in vielen Branchen eine bedeutende Rolle in der Produktion und Distribution. Zur Realisierung dieser zum Teil sehr aufwendigen und teuer zu errichtenden Anlagen wird häufig Automatisierungstechnik eingesetzt. Die folgenden Elemente sind erforderlich, um ein hervorragendes Steuerungssystem zu erstellen:
- Ein gutes Verständnis des zu steuernden Systems
- Die Fähigkeit, die richtige Art von Steuerungssystem zu entwerfen und zu implementieren
- Ein Paket von Standarddesigns und -techniken, die auf bestimmte Situationen angewendet werden können
Die Schritte zum Erstellen eines Steuerungssystems
Der Prozess zur Erstellung eines Steuerungssystems umfasst die folgenden Schritte:
- Entwurf der Systemstruktur: Dies umfasst die Bestimmung des Typs des erforderlichen Steuerungssystems und der enthaltenen Komponenten
- Implementierung des Systems: Dies beinhaltet den sorgfältigen Aufbau des Systems und die Durchführung von Tests, um sicherzustellen, dass es ordnungsgemäß funktioniert
- Wartung des Systems: Dies umfasst die Überwachung der Systemleistung im Laufe der Zeit und die Durchführung aller erforderlichen Änderungen, um sicherzustellen, dass es weiterhin ordnungsgemäß funktioniert
Open-Loop- und Closed-Loop-Steuerung: Der Unterschied zwischen Selbstkorrektur und festem Ausgang
Open-Loop-Steuerungssysteme werden auch als Non-Feedback-Steuerungen bezeichnet. Diese Systeme haben eine feste Ausgabe, die nicht auf der Grundlage von Eingaben oder Rückmeldungen angepasst wird. Die Struktur eines Steuerungssystems mit offener Schleife ist typisch und umfasst einen Eingang, einen Sollwert und einen Ausgang. Die Eingabe ist das Signal, das verwendet wird, um die gewünschte Ausgabe zu erzeugen. Der Sollwert ist der Zielwert für den Ausgang. Die Ausgabe ist das Ergebnis des laufenden Prozesses.
Beispiele für Steuerungssysteme mit offenem Regelkreis sind:
- Ein Toaster: Der Hebel wird in die „Ein“-Phase gebracht und die Spulen werden auf eine feste Temperatur erhitzt. Der Toaster bleibt bis zur festgelegten Zeit aufgeheizt und der Toast springt heraus.
- Ein Tempomat in einem Fahrzeug: Die Steuerung ist so eingestellt, dass sie eine feste Geschwindigkeit beibehält. Das System passt sich nicht an sich ändernde Bedingungen wie Hügel oder Wind an.
Closed-Loop-Steuerung: Selbstkorrektur für konsistente Ausgabe
Regelungssysteme mit geschlossenem Regelkreis, auch bekannt als Feedback-Regelungssysteme, haben die Fähigkeit, sich selbst zu korrigieren, um eine konsistente Ausgabe aufrechtzuerhalten. Der Unterschied zwischen einem Open-Loop- und einem Closed-Loop-System besteht darin, dass das Closed-Loop-System die Fähigkeit hat, sich selbst zu korrigieren, während das Open-Loop-System dies nicht tut. Die Struktur eines geschlossenen Regelkreises ähnelt der eines offenen Regelkreises, enthält jedoch eine Rückkopplungsschleife. Die Rückkopplungsschleife führt vom Ausgang zum Eingang und ermöglicht dem System eine kontinuierliche Überwachung und Anpassung basierend auf sich ändernden Bedingungen.
Beispiele für Regelkreise sind:
- Temperaturregelung in einem Raum: Das System passt die Heizung oder Kühlung basierend auf der Temperatur im Raum an, um eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten.
- Verstärkungssteuerung in einem Soundsystem: Das System passt die Verstärkung basierend auf der Ausgabe an, um einen konsistenten Tonpegel aufrechtzuerhalten.
Feedback Control Systems: Kontrolle auf die nächste Stufe bringen
Feedback-Steuerungssysteme sind eine Art von Steuerungssystem, das die Ausgabe eines Prozesses verwendet, um die Eingabe zu steuern. Mit anderen Worten, das System empfängt ein Signal von dem zu steuernden Prozess und verwendet dieses Signal, um die Eingabe anzupassen, um die gewünschte Ausgabe zu erreichen.
Diagramme und Namen im Zusammenhang mit Rückkopplungssteuerungssystemen
Es gibt mehrere Diagramme und Namen, die mit Feedback-Steuerungssystemen verbunden sind, darunter:
- Blockdiagramme: Diese zeigen die Komponenten des Feedback-Control-Systems und wie sie verbunden sind.
- Übertragungsfunktionen: Diese beschreiben den Zusammenhang zwischen Input und Output des Systems.
- Systeme mit geschlossenem Regelkreis: Dies sind Rückkopplungssteuerungssysteme, bei denen der Ausgang zum Eingang zurückgeführt wird, um den gewünschten Ausgang aufrechtzuerhalten.
- Open-Loop-Systeme: Dies sind Rückkopplungssysteme, bei denen der Ausgang nicht auf den Eingang zurückgeführt wird.
Logiksteuerung: Vereinfachte und effektive Steuerungssysteme
Die logische Steuerung ist eine Art Steuerungssystem, das boolesche Logik oder andere logische Operationen verwendet, um Entscheidungen zu treffen und Prozesse zu steuern. Es ist ein vereinfachtes und effektives Steuerungssystem, das in verschiedenen Branchen, einschließlich Produktion, Fertigung und Elektrotechnik, weit verbreitet ist.
Wie funktioniert Logic Control?
Logiksteuerungssysteme sind dafür ausgelegt, eine Vielzahl von Eingaben zu handhaben und eine gewünschte Ausgabe zu erzeugen. Die grundlegende Arbeitsweise ist wie folgt:
- Das System empfängt ein Eingangssignal, das normalerweise in Form eines elektrischen Stroms vorliegt.
- Das Eingangssignal wird dann mit einem eingestellten Wert oder Punkt verglichen, der im System gespeichert ist.
- Wenn das Eingangssignal korrekt ist, führt das System eine bestimmte Aktion aus oder wechselt zu einer bestimmten Einstellung.
- Wenn das Eingangssignal falsch ist, empfängt das System weiterhin Eingaben, bis der richtige Wert erreicht ist.
Beispiele für Logiksteuerungssysteme
Logiksteuerungssysteme werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter:
- Ampeln: Ampeln verwenden eine Logiksteuerung, um je nach Verkehrsfluss zwischen roten, gelben und grünen Ampeln umzuschalten.
- Industrieroboter: Industrieroboter verwenden eine Logiksteuerung, um komplexe Aufgaben wie Schweißen, Lackieren und Montieren auszuführen.
- Automatische Waschmaschinen: Automatische Waschmaschinen verwenden eine Logiksteuerung, um basierend auf den Eingaben des Benutzers zwischen verschiedenen Waschzyklen und Temperaturen umzuschalten.
Ein-Aus-Regelung: Die einfachste Methode zur Temperaturregelung
Die Ein-Aus-Steuerung wird traditionell mit miteinander verbundenen Relais, Nockenzeitgebern und Schaltern implementiert, die in einer Leitersequenz aufgebaut sind. Mit dem technologischen Fortschritt kann die Ein-Aus-Steuerung jedoch jetzt unter Verwendung von Mikrocontrollern, spezialisierten programmierbaren Logiksteuerungen und anderen elektronischen Geräten durchgeführt werden.
Beispiele für die Ein-Aus-Steuerung
Einige Beispiele für Produkte, die eine Ein-Aus-Steuerung verwenden, sind:
- Haushaltsthermostate, die die Heizung einschalten, wenn die Raumtemperatur unter die gewünschte Temperatur fällt, und sie ausschalten, wenn sie darüber sinkt.
- Kühlschränke, die den Kompressor einschalten, wenn die Temperatur im Kühlschrank über die gewünschte Temperatur steigt, und ihn ausschalten, wenn sie darunter fällt.
- Waschmaschinen, die eine Ein-Aus-Steuerung verwenden, um verschiedene zusammenhängende sequentielle Operationen auszulösen.
- Pneumatische Aktuatoren, die eine Ein-Aus-Steuerung verwenden, um ein bestimmtes Druckniveau aufrechtzuerhalten.
Vor- und Nachteile der Ein-Aus-Steuerung
Zu den Vorteilen der Ein-Aus-Steuerung gehören:
- Es ist einfach und kostengünstig zu implementieren.
- Es ist leicht zu verstehen und auszuführen.
- Es kann in verschiedenen Arten von Maschinen und Operationen verwendet werden.
Zu den Nachteilen der Ein-Aus-Steuerung gehören:
- Es erzeugt abrupte Änderungen im System, die negative Auswirkungen auf das zu steuernde Produkt oder den zu steuernden Prozess haben können.
- Es ist möglicherweise nicht in der Lage, den gewünschten Sollwert genau aufrechtzuerhalten, insbesondere in Systemen mit großen thermischen Massen.
- Dies kann zu Verschleiß an den elektrischen Schaltern und Relais führen, was zu häufigem Austausch führt.
Lineare Steuerung: Die Kunst, gewünschte Ergebnisse aufrechtzuerhalten
Die Theorie der linearen Steuerung basiert auf mehreren Prinzipien, die bestimmen, wie sich lineare Steuerungssysteme verhalten. Zu diesen Grundsätzen gehören:
- Das Prinzip des Ignorierens unerwünschter Wirkungen: Dieses Prinzip geht davon aus, dass alle unerwünschten Wirkungen des Systems ignoriert werden können.
- Das Prinzip der Additivität: Dieses Prinzip folgt dem Konzept, dass der Output eines linearen Systems die Summe der Outputs ist, die von jedem Input erzeugt werden, der alleine wirkt.
- Das Prinzip der Überlagerung: Dieses Prinzip geht davon aus, dass die Ausgabe eines linearen Systems die Summe der Ausgaben ist, die von jeder einzeln wirkenden Eingabe erzeugt werden.
Der nichtlineare Fall
Wenn ein System nicht den Prinzipien der Additivität und Homogenität entspricht, wird es als nichtlinear betrachtet. In diesem Fall ist die definierende Gleichung typischerweise ein Quadrat aus Termen. Nichtlineare Systeme verhalten sich nicht wie lineare Systeme und erfordern andere Steuerungsmethoden.
Die Fuzzy-Logik: Ein dynamisches Steuersystem
Fuzzy-Logik ist eine Art Steuersystem, das Fuzzy-Sätze verwendet, um ein Eingangssignal in ein Ausgangssignal umzuwandeln. Es handelt sich um eine mathematische Struktur, die analoge Eingangswerte in Form von logischen Variablen analysiert, die kontinuierliche Werte zwischen 0 und 1 annehmen. Fuzzy-Logik ist ein dynamisches Steuersystem, das Änderungen im Eingangssignal handhaben und das Ausgangssignal entsprechend anpassen kann.
Beispiele für Fuzzy-Logik in Aktion
Fuzzy-Logik wird in vielen Bereichen zur Lösung vielfältiger Steuerungsaufgaben eingesetzt. Hier sind einige Beispiele:
- Wasseraufbereitung: Fuzzy-Logik wird verwendet, um den Wasserfluss durch eine Aufbereitungsanlage zu steuern. Das System passt die Durchflussmenge basierend auf dem aktuellen Wasserzustand und der gewünschten Ausgabequalität an.
- HVAC-Systeme: Fuzzy-Logik wird verwendet, um die Temperatur und Luftfeuchtigkeit in einem Gebäude zu steuern. Das System passt Temperatur und Luftfeuchtigkeit an den aktuellen Zustand des Gebäudes und das gewünschte Komfortniveau an.
- Verkehrssteuerung: Fuzzy-Logik wird verwendet, um den Verkehrsfluss über eine Kreuzung zu steuern. Das System passt die Zeitsteuerung der Ampeln basierend auf den aktuellen Verkehrsbedingungen an.
Zusammenfassung
Daher werden Steuerungssysteme zur Steuerung von Prozessen in vielen Branchen verwendet, und sie umfassen die Entwicklung, Implementierung und Wartung eines Systems, das trotz Änderungen in der Eingabe eine konsistente Ausgabe aufrechterhält.
Mit einem Steuerungssystem können Sie nichts falsch machen, also scheuen Sie sich nicht, eines in Ihrem nächsten Projekt zu verwenden! Also los und kontrolliere deine Welt!
Ich bin Joost Nusselder, Gründer von Tools Doctor, Content Marketer und Vater. Ich liebe es, neue Geräte auszuprobieren, und zusammen mit meinem Team erstelle ich seit 2016 ausführliche Blogartikel, um treuen Lesern mit Werkzeugen und Basteltipps weiterzuhelfen.
