Was ist Proportionalsteuerung? | Definition von TechTarget

Was ist Proportionalsteuerung?

Proportionale Kontrolle ist eine Steuersystem Technologie, bei der die Reaktion (Ausgabe) proportional zur Differenz zwischen einem Sollwert und dem aktuellen Wert einer Prozessvariablen ist.

Steuerungssysteme in vielen industriellen Umgebungen und einige intelligente Geräte verwenden eine proportionale Steuerung. Es ist üblich in Regelsysteme Dabei muss die Leistung möglichst nahe am gewünschten Sollwert gehalten werden.

Die Proportionalregelung ist eine Art der Rückkopplungsregelung, bei der die gewünschte Regelung, auch als „Proportionalregelung“ bezeichnet, erfolgt Soll (SP) wird mit der tatsächlichen Ausgabe verglichen. Die tatsächliche Ausgabe ist hier der aktuelle Wert einer Prozessvariablen (PV).

Das System vergleicht die beiden Werte und passt dann die Reaktion so an, dass sie immer proportional zur Differenz zwischen SP und PV ist. Der SP wird kontinuierlich überwacht und die SP/PV-Differenz erzeugt ein Fehlersignal, das zur Durchführung der proportionalen Steueraktion verwendet wird.

So funktioniert die Proportionalregelung

Erstens das Proportional Controller vergleicht den SP-Wert mit dem tatsächlichen PV-Wert. Dann ist das System Rückkopplungsschleife kommt ins Spiel. Die Schleife überwacht kontinuierlich die Systemleistung und vergleicht sie mit der gewünschten Leistung. Die Eingaben werden dann angepasst, um die Ausgabe näher an den gewünschten Wert zu bringen.

Der Controller erzeugt ein Fehlersignal. Schließlich multipliziert es das Fehlersignal mit einer Multiplikation Faktor um eine Ausgabe zu erzeugen, die proportional zum Fehlersignal ist und möglichst nahe am gewünschten Wert liegt. Die Rückkopplungsschleife stellt sicher, dass sich das System automatisch an veränderte Bedingungen anpassen und trotz interner oder externer Störungen einen stabilen Ausgang aufrechterhalten kann.

Proportionaler Verstärkungsfaktor und proportionaler Reglerausgang

Der Multiplikationsfaktor, den der Proportionalregler zur Erzeugung der Ausgabe verwendet, wird als bezeichnet proportionaler Verstärkungsfaktor. Je höher der Wert dieses Faktors ist, desto schneller reagiert das Steuerungssystem. Umgekehrt gilt: Je niedriger der Verstärkungsfaktor, desto langsamer reagiert das System.

Es ist wichtig zu bedenken, dass der Ausgang des Proportionalreglers sowohl vom Verstärkungsfaktor als auch vom Fehlersignal abhängt. Wenn also das Fehlersignal Null ist – das heißt, wenn kein Unterschied zwischen dem SP und dem tatsächlichen PV besteht –, dann ist der Ausgang des Reglers Null, unabhängig vom Verstärkungsfaktor, da die Multiplikation von irgendetwas mit Null einen Ausgang von Null ergibt. Wenn der Verstärkungsfaktor zu hoch eingestellt ist, verhält sich der Proportionalregler wie ein Ein-Aus-Controller.

Mathematische Darstellung eines Proportionalreglers

Die Funktionsweise eines Proportionalreglers lässt sich mathematisch darstellen.

Folgendes gegeben:

• y(t) = Ausgang des Proportionalreglers
• e(t) = Fehlersignal
• K = Proportionalverstärkungsfaktor
• b = Vorspannungssignal

Dann:

• y(t) = K ⋅ e(t) + b

In der obigen Formel sind der Ausgang und das Fehlersignal Variablen, während die Vorspannung ein konstanter Wert ist. Bias wird hinzugefügt, weil es einen Befehl an den Proportionalregler gibt, wenn das Fehlersignal auf Null geht. Der Befehl stellt sicher, dass die Ausgabe des Controllers ungleich Null ist.

Beispiel einer Proportionalregelung

Adaptive Geschwindigkeitsregelung ist ein bekanntes Beispiel für eine Proportionalregelung. Bei adaptiven Geschwindigkeitsregelungssystemen wird die Drosselklappeneingabe variabel angepasst, um sowohl auf abnehmende Steigungen als auch auf zunehmende Dynamik zu reagieren. Darüber hinaus wird die Drosselklappe des gesteuerten Fahrzeugs variabel an die Nähe anderer Fahrzeuge vor ihm angepasst. Zur Vermeidung von Notkollisionen greift ein separates proportionales Steuersystem schrittweise auf die Bremsen ein, wenn das Fahrzeug einem nachfolgenden Fahrzeug zu nahe kommt oder zu stark ist.

Einsatzmöglichkeiten und Vorteile der Proportionalregelung

Die Proportionalsteuerung wird häufig in Situationen eingesetzt, in denen es erforderlich ist, einen PV auf einem engeren Toleranzwert zu halten und eine rechtzeitige Systemreaktionsfähigkeit zu erreichen. Letzteres ist möglich, weil die Proportionalsteuerung die mit der Ein-Aus-Steuerung verbundene Zykluszeit eliminiert. Ein Proportionalregler eignet sich auch dann, wenn die Differenz zwischen PV und SP klein sein soll und die Abweichungen nicht sprunghaft sind.

Im Gegensatz zu einigen anderen Arten von Steuerungssystemen verbessert ein Proportionalregler die Systemstabilität, da er den stationären Fehler verringert, wenn die Differenz zwischen SP und PV abnimmt. Es beschleunigt auch die Reaktion überdämpfter Systeme.

Nachteile der Proportionalsteuerung

Ein Nachteil eines Proportionalreglers besteht darin, dass er einen stationären Fehler zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen erzeugt. Dieser Fehler wird auch als „ Offset. Der Offset wird nach einiger Zeit konstant und kann nicht beseitigt werden.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass in Systemen mit Proportionalreglern häufig sowohl Über- als auch Unterschwinger auftreten, die sich auf Leistung und Ausgangsgeschwindigkeit auswirken können. Überschreitung bezieht sich auf den Betrag, um den die Systemausgabe den Endwert als Reaktion auf eine Eingabe überschreitet. Unter Unterschreitung versteht man den Betrag, um den die Ausgabe unter dem endgültigen gewünschten Wert liegt.

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Proportionale Steuerung vs. Ein-Aus-Steuerung

Die Ein-Aus-Steuerung wird auch als „On-Off-Steuerung“ bezeichnet Knall-Bang-Kontrolle. Im Vergleich zu Geräten mit Ein-Aus-Steuerung sind Geräte mit Proportionalsteuerung komplexer. Außerdem beinhaltet die Proportionalsteuerung eine feinkörnige Steuerung durch einen Rückkopplungsmechanismus. In solchen Systemen ist die variable Reaktion linear proportional zur Differenz zwischen einem PV und dem gewünschten optimalen SP. Dies bedeutet, dass die Reaktion des Reglers und des Mechanismus zur Beeinflussung der Variablen bei einem größeren Differenzial eine größere Reaktion und bei einem kleineren Differenzial eine kleinere Änderung hervorrufen.

Darüber hinaus bedeutet die Variabilität der Reaktion auf die PV, dass engere Toleranzen in einem proportionalen Steuerungssystem eingehalten werden können. Proportionale Steuerung macht Prozesse und Produktion sicherer machen und zuverlässiger, insbesondere wenn automatisieren gefährliche Maschinen, beim Umgang mit empfindlichen Materialien und in chemischen Prozesssystemen.

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