Temperaturregler Typen: PID, 2-Punkt und mehr

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Unabhängig davon, ob ein Temperaturregler analog oder digital aufgebaut ist, gibt es verschiedene Reglertypen. Zweipunktregler kennen nur „Ein“ oder „Aus“ (z.B. klassische Raumthermostate), während Dreipunktregler noch einen neutralen Zwischenzustand abbilden können.

Stetige Regler

Die Königsklasse sind die stetigen Regler. Stetige Regler haben das Ziel, den Sollwert möglichst schnell und ohne große Überschwinger zu erreichen und möglichst exakt und stabil zu halten. Die Grundtypen der stetigen Regler sind Proportional-regler, Integralregler und Differenzialregler.

Zweipunktregler Kennlinie im Vergleich mit Kennlinie eines stetigen Reglers (PID Temperaturregler)

Skizze 1: Zweipunkt-Regler vs. stetiger Regler (z.B. PID-Temperaturregler)

Proportionalregler: P-Regler

Der Proportionalregler – auch P-Regler genannt – sorgt dafür, dass sich der Istwert möglichst schnell an den Sollwert annähert. Die Reglerausgangsgröße verläuft dabei proportional zur Regeldifferenz – bei großer Differenz ist auch das Ausgangssignal des Reglers hoch, um die Differenz schnell auszugleichen. Ein Nachteil des P-Reglers ist die dauerhafte Regelabweichung, die nur durch die Kombination mit einem weiteren Regelalgorithmus, dem Integralregler, kompensiert werden kann.

Integralregler: I-Regler

Der Integralregler – auch als I-Regler bezeichnet – gleicht die dauerhafte Regelabweichung aus, in dem er die Regelabweichung über einen definierten Zeitraum integriert und daraus die Reglerausgangsgröße festlegt. Durch die Integrationsfunktion ist der I-Regler jedoch verhältnismäßig träge.

Proportional-Integral-Regler: PI-Regler

Die Kombination von P- und I-Regler sorgt also dafür, dass eine große Regeldifferenz schnell ausgeglichen wird und der Sollwert ohne dauerhafte Regelabweichung erreicht werden kann. Schwierig wird es für einen solchen PI-Regler dann, wenn sich plötzlich oder gar schlagartig eine Regelabweichung ergibt, denn insbesondere bei geringen Abweichungen ist das Regelverhalten träge.

Differenzialregler: D-Regler

Hier schafft die Kombination mit einem weiteren Regelalgorithmus – dem Differenzial- oder auch D-Regler, Abhilfe. Der Differenzial-Algorithmus dieses Reglers sorgt dafür, dass auch kleine Abweichungen schnell kompensiert werden können. Der D-Regler alleine ist in der Praxis unbrauchbar, da er eine konstante Abweichung vom Sollwert nicht erkennt. In Kombination mit einem P- oder PI-Regler sorgt er aber für eine gute Reaktionsgeschwindigkeit.

PID Temperaturregler

Womit wir beim PID-Regler wären: der PID-Regler kombiniert die Algorithmen des P-, des I- und des D-Reglers, um eine schnelle Reaktion auf große und kleine Regeldifferenzen zu erzielen und eine dauerhafte Regelabweichung zu eliminieren. Die Charakteristiken der einzelnen Anteile P, I und D können über eine geeignete Parametrierung optimal auf die Regelaufgabe, also auf die sogenannte Regelstrecke, abgestimmt werden. Der PID-Regler ist damit der universellste klassische Regler.

Wichtig: Regelparameter anpassen!

Ob P-, PI-, PD- oder PID-Regler: Damit der Temperaturregler seine Aufgabe optimal erfüllen kann, müssen die Regelparameter für die jeweilige Regelstrecke abgestimmt werden. Das geschieht entweder über Modelle, die die Regelstrecke abbilden, oder durch Ausprobieren nach dem klassischen „Trial-and-Error“-Verfahren. PID-Regler verfügen inzwischen aber meist über einen Selbstoptimierungsmodus. Die Parameter für die Regelstrecke werden hier also durch den Regler selbst ermittelt.

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