Grundprinzipien.

Mit wenigen und relativ unbedeutenden Ausnahmen haben alle modernen Steuerungssysteme zwei grundlegende Eigenschaften gemeinsam. Diese können wie folgt beschrieben werden: (1) Der Wert der zu regelnden Größe wird durch einen Motor (dieses Wort wird in einem allgemeinen Sinn verwendet) verändert, der seine Leistung aus einer lokalen Quelle und nicht aus einem eingehenden Signal bezieht. Auf diese Weise steht eine große Menge an Energie zur Verfügung, um die notwendigen Änderungen der Regelgröße zu bewirken und um sicherzustellen, dass die Vorgänge zur Änderung der Regelgröße die Signale, von denen die Genauigkeit der Regelung abhängt, nicht belasten und verzerren. (2) Die Geschwindigkeit, mit der dem Motor Energie zugeführt wird, um Änderungen des Wertes der Regelgröße zu bewirken, wird mehr oder weniger direkt durch eine Funktion der Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem gewünschten Wert der Regelgröße bestimmt. So wird z. B. bei einem thermostatischen Heizsystem die Brennstoffzufuhr zum Ofen dadurch bestimmt, ob die Ist-Temperatur höher oder niedriger als die Soll-Temperatur ist. Ein Regelsystem, das diese grundlegenden Eigenschaften aufweist, wird als Regelkreis oder Servomechanismus bezeichnet (siehe Abbildung). Offene Regelkreise sind Vorwärtsregelkreise.

Die Stabilität eines Regelkreises wird zu einem großen Teil durch seine Reaktion auf ein plötzlich angelegtes Signal, einen Transienten, bestimmt. Wenn ein solches Signal das System dazu bringt, sich selbst zu überkorrigieren, kann ein Phänomen auftreten, das als Schwingen bezeichnet wird und bei dem sich das System zunächst in eine Richtung und dann in die entgegengesetzte Richtung überkorrigiert. Da das Hunting unerwünscht ist, werden in der Regel Maßnahmen ergriffen, um es zu korrigieren. Die gängigste Korrekturmaßnahme ist das Hinzufügen einer Dämpfung irgendwo im System. Die Dämpfung verlangsamt die Systemreaktion und verhindert übermäßige Überschwinger oder Überkorrekturen. Die Dämpfung kann in Form eines elektrischen Widerstands in einem elektronischen Schaltkreis, einer Bremse in einem mechanischen Schaltkreis oder des Durchdrückens von Öl durch eine kleine Öffnung wie bei der Stoßdämpferdämpfung erfolgen.

Eine weitere Methode zur Ermittlung der Stabilität eines Steuerungssystems ist die Bestimmung seines Frequenzgangs, d. h. seiner Reaktion auf ein kontinuierlich variierendes Eingangssignal bei verschiedenen Frequenzen. Der Ausgang des Steuersystems wird dann mit dem Eingang verglichen, und zwar hinsichtlich der Amplitude und der Phase, d. h. des Grades, in dem die Eingangs- und Ausgangssignale nicht übereinstimmen. Der Frequenzgang kann entweder experimentell bestimmt werden – insbesondere bei elektrischen Systemen – oder mathematisch berechnet werden, wenn die Konstanten des Systems bekannt sind. Mathematische Berechnungen sind besonders nützlich für Systeme, die durch gewöhnliche lineare Differentialgleichungen beschrieben werden können. Grafische Abkürzungen sind ebenfalls eine große Hilfe bei der Untersuchung von Systemreaktionen.

Die Entwicklung fortgeschrittener Steuerungssysteme wird durch verschiedene andere Techniken unterstützt. Die adaptive Steuerung ist die Fähigkeit des Systems, seinen eigenen Betrieb zu ändern, um die bestmögliche Betriebsart zu erreichen. Eine allgemeine Definition der adaptiven Steuerung besagt, dass ein adaptives System in der Lage sein muss, die folgenden Funktionen auszuführen: kontinuierliche Information über den aktuellen Zustand des Systems oder Identifizierung des Prozesses; Vergleich der aktuellen Systemleistung mit der gewünschten oder optimalen Leistung und Entscheidung über die Änderung des Systems, um die definierte optimale Leistung zu erreichen; und Einleitung einer geeigneten Änderung, um das Steuerungssystem auf das Optimum zu bringen. Diese drei Prinzipien – Erkennen, Entscheiden und Verändern – sind jedem adaptiven System inhärent.

Die dynamisch-optimierende Regelung erfordert, dass das Regelsystem so arbeitet, dass ein bestimmtes Leistungskriterium erfüllt wird. Dieses Kriterium wird in der Regel so formuliert, dass sich die Regelstrecke in möglichst kurzer Zeit oder mit möglichst geringen Gesamtkosten von der Ausgangsposition zu einer neuen Position bewegen muss.

Lernende Regelung bedeutet, dass die Regelstrecke über ausreichende Rechenkapazitäten verfügt, so dass sie Darstellungen des mathematischen Modells des zu regelnden Systems entwickeln und ihre eigene Funktionsweise ändern kann, um dieses neu entwickelte Wissen zu nutzen. Die lernende Regelung ist somit eine Weiterentwicklung des adaptiven Reglers.

Die Mehrgrößenregelung betrifft große Systeme, bei denen die Größe der internen Variablen von den Werten anderer verwandter Variablen des Prozesses abhängig ist. Daher reichen die einschleifigen Techniken der klassischen Regelungstheorie nicht aus. Es müssen anspruchsvollere Techniken eingesetzt werden, um geeignete Steuerungssysteme für solche Prozesse zu entwickeln.