20.3 : Offene und geschlossene Regelsysteme

Regelsysteme sind grundlegende Elemente der Automatisierung und des Ingenieurwesens. Sie werden grob in offene und geschlossene Systeme eingeteilt. Diese Klassifizierungen hängen vom Vorhandensein oder Fehlen von Rückkopplungsmechanismen ab und beeinflussen die Leistung, Komplexität und Anwendung des Systems erheblich.

Ein offenes Regelsystem arbeitet ohne Rückmeldung vom Ausgang. Es besteht aus zwei Hauptelementen: dem Controller und dem gesteuerten Prozess. Der Controller empfängt ein Eingangssignal und manipuliert den Prozess, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Wichtig ist, dass offene Systeme unabhängig vom Ausgang funktionieren, d. h. es gibt keine automatische Korrektur basierend auf der Leistung des Systems. Ein gängiges Beispiel für ein offenes System ist eine Waschmaschine, die in einem vordefinierten Zeitzyklus läuft. Sie passt ihren Betrieb nicht basierend auf der Sauberkeit der Kleidung an, was das Fehlen von Rückmeldung verdeutlicht. Offene Systeme sind in Szenarien vorteilhaft, in denen eine genaue Messung des Ausgangs entweder unpraktisch oder wirtschaftlich nicht machbar ist. Aufgrund ihrer unkomplizierten Bauweise sind sie in der Regel einfacher und kostengünstiger zu entwerfen und zu warten.

Im Gegensatz dazu enthalten Regelungssysteme mit geschlossenem Regelkreis oder Rückkopplung einen oder mehrere Rückkopplungsschleifen, die den Ausgang kontinuierlich überwachen und den Eingang entsprechend anpassen, um die gewünschte Leistung aufrechtzuerhalten. Diese Konfiguration verbessert die Genauigkeit und Reaktionsfähigkeit erheblich. Beispielsweise überwacht eine Leerlaufdrehzahlregelung mit geschlossenem Regelkreis, das in Automotoren verwendet wird, ständig die Leerlaufdrehzahl und vergleicht sie mit der gewünschten Drehzahl. Wenn eine Diskrepanz erkannt wird, passt das System den Drosselklappenwinkel an, um die Drehzahl zu korrigieren. Dieser Rückkopplungsmechanismus ermöglicht es dem System, sich schnell von Störungen zu erholen und den voreingestellten Wert beizubehalten, wodurch eine gleichbleibende Leistung gewährleistet wird.

Trotz ihrer höheren Genauigkeit und Fähigkeit, mit Störungen umzugehen, sind geschlossene Regelkreise von Natur aus komplexer. Sie erfordern zusätzliche Komponenten für die Überwachung und Rückkopplung, was die Komplexität des Entwurfs, die Kosten und den Stromverbrauch erhöht. Die Wahl zwischen offenen und geschlossenen Regelkreisen hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab, einschließlich der erforderlichen Präzision, der Durchführbarkeit der Ausgangsmessung und wirtschaftlicher Überlegungen.