Regelungstechnik Braucht es noch PID-Regler?

Ein Gastbeitrag von Johann Lainer

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Fortschritte in der Computertechnologie stellen die Rolle des gewohnt zuverlässigen PID-Reglers (Proportional Integral Derivative) infrage. Prozesse wandeln sich, werden anspruchsvoller und stoßen so die Einführung neuerer Lösungen an. Haben PID-Regler in industriellen Anwendungen immer noch Platz?

Auch Unternehmen aus der Energietechnik setzen auf Lösungen wie die PID-Regler von Watlow.
Auch Unternehmen aus der Energietechnik setzen auf Lösungen wie die PID-Regler von Watlow.
(Bild: Watlow )
  • Neuere Techniken sind so ausgelegt, dass sie schneller zum idealen Sollwert zurückkehren und gleichzeitig das Überschreiten des Sollwerts minimieren.
  • Das Finden der richtigen Reglerlösung für die Industrieanwendung ist aufgrund der Angebotsvielfalt schwierig.
  • Unternehmen wie Watlow, die Experten zur Hand haben, können dabei helfen, die Lösung zu optimieren.

PID-Regler werden in den meisten automatischen Prozesssteuerungsanwendungen zur Regelung von Durchfluss, Temperatur, Druck, Füllstand und vielen anderen industriellen Prozessvariablen eingesetzt.

Die PID-Technologie gibt es bereits seit fast einem Jahrhundert. Der russisch-amerikanische Ingenieur Nicolas Minorsky entwickelte 1922 das formelle Regelgesetz, das heute als PID bekannt ist. Es bot viele Jahre lang eine beliebte Lösung, weil ein PID-Regler mit analogen Schaltungen realisierbar ist. In den 1980er-Jahren gewann die Lösung dann im Zuge der zunehmenden Rechenleistung weiter an Popularität, da zu ihrer Anwendung nicht mehrere Ressourcen erforderlich waren.

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Ein gängiges Beispiel für einen PID-Regler ist die Geschwindigkeitsregelung im Fahrzeug. Der Fahrer wählt die Geschwindigkeit aus, die er beibehalten möchte, also den gewünschten Sollwert. Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs repräsentiert den Eingabewert und das Gaspedal den Ausgabewert. Während das Fahrzeug bergauf fährt und an Geschwindigkeit verliert, berechnet der PID-Regler den aktuellen Zustand, um zu bestimmen, was zur Beibehaltung des Sollwerts erforderlich ist. Das Fahrzeug beschleunigt, wenn dem Motor mehr Kraftstoff zugeführt wird. Wenn das Fahrzeug bergab fährt, verringert der PID-Regler die Kraftstoffzufuhr, um die Geschwindigkeit auf den Sollwert zu reduzieren.

Ein PID-Regler wendet drei grundlegende Regelverfahren an: P-, I- und D-Regler. Der P-Regler gibt einen proportionalen Ausgangswert zum aktuellen Fehler aus, was bedeutet, dass er zwar einen stabilen Systembetrieb bereitstellt, aber dass immer ein Steady-State-Fehler vorliegt, weshalb bei seiner eigenständigen Verwendung immer ein manuelles Zurücksetzen erforderlich ist (Proportionalanteil). Der I-Regler wird in Verbindung mit dem P-Regler verwendet, um den Steady-State-Fehler zu eliminieren, indem der Fehler über einen Zeitraum hinweg integriert wird, bis sein Wert null erreicht (Integralanteil). Allerdings kann der I-Regler das zukünftige Verhalten des Fehlers nicht vorhersagen, weshalb der D-Regler verwendet wird, um vorherzusagen, wie sich der Fehler ändern könnte (Differenzialanteil). Durch die Kombination dieser drei Regelungsverfahren erreicht ein PID-Regler die für ein Regelungssystem gewünschte Reaktion.

Verwendung von PID-Reglern

PID-Regler werden typischerweise in Anwendungen eingesetzt, bei denen Temperatur oder Druck gesteuert wird. Ein PID-Regler empfängt Daten von einem Eingangssensor, der z. B. die Temperatur misst und an ein Regelelement, z. B. einen Lüfter, angeschlossen ist. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass ein PID-Regler nur ein Teil eines gesamten Regelungssystems ist und dass die Anwendungsfälle für PID-Regler von den jeweiligen Gegebenheiten abhängig sind. Daher sollte bei der Auswahl des richtigen Reglers das gesamte Regelungssystem berücksichtigt werden.

Wenn Ihre Anwendung die Beibehaltung von Temperatur oder Druck erfordert, ist ein PID-Regelkreis wahrscheinlich eine zweckdienliche Lösung. Der PID-Regler könnte jedoch für die Start- und Abschaltphasen des Prozesses ungeeignet sein. Damit Sie entscheiden können, ob ein PID-Regler für Ihre Konfiguration geeignet ist, brauchen Sie ein Verständnis des Gesamtsystems.

PID erhält ein Upgrade

PID-Regler haben aus verschiedenen Gründen eine treue Anhängerschaft. Die Technik ist einfach zu verstehen und für viele Anwendungen effektiv. Die bei Steuerungen erzielten Fortschritte können jedoch eine Reihe von Vorteilen bieten. Modernisierte Steuerungen können anhand reduzierter Ausfallzeiten Zeiteinsparungen bewirken, was die Produktion steigert, den Kraftstoffverbrauch senkt und so Kosten spart oder diverse andere Vorteile bringt.

Neuere Techniken sind so ausgelegt, dass sie schneller zum idealen Sollwert zurückkehren und gleichzeitig das Überschreiten des Sollwerts minimieren. Letztendlich können Unternehmen selbst mit geringfügigen Verbesserungen der Effizienz eines Prozesses Zeit und Geld sparen.

In bestimmten Fällen kann der Einsatz von Add-ons oder mehreren PID zu anderen Ergebnissen führen. So dienen beispielsweise Feedforward-Regler als Add-on zu einem PID-Regler. Die Feedforward-Regler helfen dem PID-Regler beim schnelleren und zuverlässigeren Erreichen des Sollwerts. Wenngleich die Implementierung eines Feedforward-Reglers teurer ist und mehr Zeit in Anspruch nehmen kann, bieten sich die Vorteile einer höheren Genauigkeit, eines geringeren Energieverbrauchs und geringerer Wartungskosten.

Model Predictive Controller (MPC) koordinieren Systemein- und -ausgänge, um hocheffektive Steuerungsentscheidungen zu treffen. MPC verwenden des Weiteren einen Prognosehorizont, innerhalb dessen sie anhand von Eingabegrößen vorhersehen, was sich im System ereignen wird. Während herkömmliche PID-Regler eine Einheitslösung sind, ist ein MPC auf das System zugeschnitten, in dem er eingesetzt wird.

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Override-Controller verwenden zwei PID-Regler zur Berechnung separater Prozessvariablen und einen Schalter zur Auswahl des Reglerausgangs. Der Schalter bestimmt, basierend auf einer festgelegten Bedingung, wie z. B. dem kleinsten oder größten Ausgangswert, welchem PID-Regler gefolgt werden soll.

Derartige Konfigurationen sind zwar etwas komplexer als die Verwendung eines einzelnen PID, können aber in marginalen Verbesserungen resultieren, die Ihrem Unternehmen einen Wettbewerbsvorteil verschaffen.

Die richtige Wahl treffen

Das Finden der richtigen Lösung für Ihre Industrieanwendung kann sich bei der Fülle der auf dem Markt erhältlichen Angebote als schwierig erweisen. Unternehmen wie Watlow, das seit 1922 thermische Anlagen herstellt, können Ihnen diese Entscheidung erleichtern. Watlow hat Experten zur Hand, die Sie bei der Optimierung Ihrer Lösungen unterstützen, um die gewünschten Ziele zu erreichen. Dazu gehört die Beratung zu einer Reihe von Temperatur- und Prozessreglern einschließlich PID-Modellen für unterschiedliche Prozesse.

Obwohl die Fortschritte in der Computertechnik zunächst auf schlechte Zukunftschancen für PID-Regler hinzuweisen schienen, haben sie sich auch heutzutage in vielen Anwendungen als eine entscheidend wichtige Systemkomponente erwiesen. Diese vielseitigen Regler lassen sich mit Add-ons kombinieren, um flexible Lösungen und präziser Ergebnisse bereitzustellen. Damit Sie die gewünschten Ergebnisse erhalten, kommt es aber in erster Linie darauf an, die spezifischen Gegebenheiten zu verstehen und zu wissen, was für Ihr System richtig ist.

* Johann Lainer ist Leiter der Marketingkommunikation bei der Watlow Plasmatech GmbH in 5431 Kuchl (Österreich), Tel. +43 6244 20129-0, jlainer@watlow.com

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