9.3 Regeleigenschaften

9.3 Regeleigenschaften

Regler ohne Hilfsenergie werden zumeist als Proportionalregler ausgeführt. Das Regelverhalten eines P-Reglers wird im wesentlichen durch den Proportionalbeiwert (früher: Proportionalbereich) sowie den eingestellten Arbeitspunkt bestimmt.

Um die Zusammenhänge möglichst anwendungsnah und anschaulich darstellen zu können, stützen sich die folgenden Ausführungen - wie in den Abschnitten zuvor - beispielhaft auf den Druckminderer. Aus regelungstechnischer Sicht lassen sich die Aussagen jedoch auf jeden anderen RoH mit Proportionalverhalten übertragen.

Aus den Grundlagen der Regelungstechnik (siehe z.B. L102) ist bekannt, daß ein möglichst großer Proportionalbeiwert (bzw. ein kleiner Proportionalbereich) erforderlich ist, will man die bleibende Regelabweichungen klein halten. In der Umgebung eines Betreibspunktes berechnet sich aus Stellgröße y und Regeldifferenz e:

Beim Druckminderer muß demnach erreicht werden, daß bei kleinen Druckänderungen große Hubverstellungen entstehen, die wiederum große -Wertänderungen bewirken:

- Große Hubverstellungen ergeben sich, wenn die Federsteifigkeit möglichst klein und die Fläche der Antriebsmembran groß ist.

- Die -Wertänderung steht mit dem Ventilhub über die Kontur des Kegels und den -Wert in Bezug. Bei gleichem Hub resultieren bei steiler Stellkennlinie
und/oder großem -Wert größere -Wertänderungen als bei flacher Kennlinie und/oder kleinem -Wert.

Eine Auslegung auf einen großen Proportionalbeiwert - und damit kleine Regelabweichung - führt demzufolge zu folgender Ausstattung:

weiche Feder, große Antriebsfläche und großer - hier gleichbedeutend mit überdimensioniertem - -Wert.

Beispiel: In Bezug auf Feder und Antrieb erfüllt diese Anforderugen der RoH mit dem niedrigsten Sollwertbereich am besten. Für einen Sollwert von 1,0bar ist deshalb der Sollwertbereich 0,2 bis 1,2bar zu wählen und nicht die Ausführung mit dem Bereich 0,8 bis 2,5bar.

Anmerkung: Wie bereits geschildert, benötigt ein Stellventil für große Stellkräfte:

- eine steife Feder, kleine Antriebsfläche bzw. lange Federwege.

Will man ein Gerät mit großen Stellkräften bei kleinen Regelabweichungen verwirklichen, zeigen sich bei der Auslegung von Feder und Antriebsfläche einander widersprechende Forderungen. Es bleiben einzig die Möglichkeiten:

- kleine Regelabweichungen über große -Werte zu verwirklichen

- die hohen Stellkräfte über weiche, aber entsprechend lange Federn zu kompensieren.

Beide Varianten sind nicht uneingeschränkt nutzbar: Während sehr lange Federn zu aufwendigen und teuren Geräten mit großen Abmaßen führen, hat der Einsatz eines überdimensionierten -Wertes physikalisch begründete Grenzen: der Antrieb muß bei der Positionierung die Haft- und Gleitreibung überwinden, die an der Führung und Abdichtung der Kegel- und Antriebsstange entsteht. Berücksichtigt man diese Reibung sowie die zusätzlichen Kräfte zum Schließen des Ventils, so erhält man statt der idealisierten Kennlinie des Bildes 7 das reale Stellverhalten entsprechend Bild 9.

Bild 9: Kennlinie des Druckminderers

Die durch Haftreibung entstehende Hysterese begrenzt die erreichbare Stellgenauigkeit. Eine Vergrößerung von mit Hilfe eines größeren -Wertes kann diesen Fehler nicht kompensieren. Dadurch verringert sich zwar die stationäre Regelabweichung , doch die Hysterese in der Stellkennlinie bleibt bestehen (Bild 10).

Bild 10: Regelabweichungen bei verschiedenen Proportionalbeiwerten

Bei überdimensioniertem -Wert besteht daher die Gefahr, daß die Regelung zu Schwingen beginnt: zum einen wird aufgrund der Hysterese die exakte Einstellung eines -Wertes immer schwieriger; zum anderen bewirken dann schon kleine Regelabweichungen sehr große Stelländerungen.

Aufgrund der geschilderten Abhängigkeiten wird man bei erhöhten Regelanforderungen immer versuchen, die Stellkräfte durch Druckentlastungen soweit wie möglich zu verringern und gleichzeitig die Ausführung mit dem kleinsten Sollwertbereich zu wählen.

Mit dieser Auslegung - Balgentlastung, weiche Federn, große Antriebsmembran und gegebenenfalls große -Werte - kann die Regelabweichung beim RoH sehr gering gehalten werden. Zu große Proportionalbeiwerte - besonders wenn mit überdimensioniertem -Wert verwirklicht - bergen jedoch die Gefahr, daß der Regelkreis zu Schwingen beginnt.