Regler mit Operationsverstärkern aufbauen

Da man mit Operationsverstärkern sehr gut rechnen kann sind für die Realisierung von Regelgliedern Operationsverstärker sehr gut geeignet.

So nutzt man beispielsweise den Operationsverstärker als Diefferenzverstärker, um aus der Regelgröße (dem Istwert) und der Führungsgröße (dem Sollwert) die Regelabweichung zu berechnen.

Aber auch die gewünschten Regelglieder können mit Operationsverstärkerschaltungen realisiert werden.

Neben dem Verstärken mit einem konstanten Faktor und der Addition von Signalen ist auch das Differenzieren und Integrieren von Signalen unproblematisch.

Herr Wagener von mg-spots zeigt in dem heutigen Gast-Video, wie Operationsverstärker für die Realisierung verschiedener Reglertypen eingesetzt werden können.

Operationsverstärker als P-Regler

Eine einfache Verstärkerschaltung verstärkt die Eingangsspannung um einen konstanten Faktor. Sie macht also genau das, was ein P-Regler tun soll.
Der Verstärkungsfaktor wird mit KpR angegeben, um zu verdeutlichen, dass es sich um den Verstärkungsfaktor eines Reglers handelt.

Da der Operationsverstärker nur in einem Bereich die Spannung proportional verstärken kann, wird dieser Bereich mit dem Proportionalbeiwert Xp angegeben.

Im Video wird die Funktionsweise eines P-Reglers anhand eines mechanischen Beispiels noch einmal verdeutlicht.

I-Regler

Ein I-Regler soll das Eingangssignal integrieren. Bei einem Eingangssprung steight also das Ausgangssignal linear an. Es wird ja ein konstantes Signal integriert. Wenn Du die Integralrechnug aus der SChule kennst, dann kennst Du sicher dieses Beispiel: Das Integral der Funktions f(x) = 2 lautet F(x) = 2x.

Eigentlich F(x) = 2x + C, hierbei ist C der Anfangszustand des I-Reglers, der in der mathematischen Betrachtung des Reglers zu 0 gesetzt wird. Bei einem I-Regler, der mit einem Kondenstaor realisiert ist, wird der Kondensator dazu vor Beginn des Betarchtungszeitpunkts entladen.

D-Regler

Ein D-Regler wird in dieser reinen Form in der Praxis nicht verwendet. Ein D-Regler würde ja nur (undendlich) kurz bei Änderung der Regelabweichung tätig sein und dann keine Auswirkung haben.

In Kombinationen mit einem P-Regler oder gemeinsam mit einem P- und I- Anteil ist der Einsatz des D-Anteils häufig sehr sinnvoll.

Man spricht dann beispielsweise von einem PD-Regler oder von einem PID-Regler. Bei einem PID-Regler wird also sowohl ein P-, ein I- und ein D-Anteil zur Regelung des Regelkreises genutzt.

P-, PD-, PI- und PID-Regler

Die einzelnen möglichen Komponenten lassen sich in verschiedenen Sinnvollen Kombinationen zusammenstellen. Im Video werden die einzelnen Kombinationen vorgestellt.
Herr Wagener betarchtet hierbei die Realsierung der Regler mit einer OPeratiuonsverstärkerschaltung, das Zeitverhalten und das Frequenzverhalten der Reglertypen. Das Frequenzverhalten der Reglertypen wird mit einem Bodediagramm dargestellt.

Unstetige Regler

Bei den bisher betrachteten Regler handelte es sich um stetige Regler. Der Ausgang der Regler hat bei stetigen Reglern einen, wie der Name schon sagt, stetigen Verlauf.

Bei unstetigen Reglern springt das Ausgangssignal. Es ist also unstetig.

Wichtige Vertreter von unstetigen Reglern sind die 2-Punkt-Regler und die 3-Punkt-Regel mit und ohne Hysterese.

Bei diesen unstetigen Reglern springt der Ausgang zwischen zwei Zuständen, zum Beispiel „Einschalten“ und „Ausschalten“.

Rechenschaltungen mit Operationsverstärkern


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Gegengekoppelte und mitgekoppelte Operationsverstärker

VIDEO-unterstützt