1 Einführung in die Regelungs- und Steuerungstechnik 1

1.1 Begriffe und Benennungen 2
1.1.1 Regelung 2
1.1.2 Wirkungsplan eines Regelkreises 6
1.1.3 Regelkreise 7
1.1.4 Steuerung 8
1.2 Weitere Beispiele für Regelkreise 9
1.3 Folgeregelung 13


2 Beharrungs- und Zeitverhalten von Regelkreisgliedern 17

2.1 Einführung 18
2.2 Beharrungsverhalten (statisches Verhalten) von Regelkreisgliedern 21
2.3 Zeitverhalten (dynamisches Verhalten) von Regelkreisgliedern 26
2.3.1 Proportionalglied, P-Glied, P-Verhalten 29
2.3.2 Verzögerungsglied 1. Ordnung, P-T1-Glied, P-T1- Verhalten 31
2.3.3 Integrierendes Verhalten, I-Verhalten, I-Glied 39
2.3.4 Differenzierendes Verhalten, D-Verhalten, D-Glied 45
2.3.5 D-Glied mit Verzögerung l. Ordnung, D-T1-Glied, D-T1-Verhalten 46
2.3.6 Totzeitglied, Ti-Glied, Totzeitverhalten 49


3 Regelstrecken 53

3.1 Abgrenzung der Regelstrecke 54
3.2 Kennwerte von Regelstrecken 56
3.2.1 Übertragungsverhalten von Regelstrecken 56
3.2.2 Bestimmung der Zeitkennwerte von Regelstrecken 58
3.2.3 Bestimmung des Übertragungsbeiwertes von Regelstrecken 61
3.3 Regelstrecken mit Ausgleich 63
3.3.1 Kennlinie und Übertragungsbeiwert 63
3.3.2 Linearisierung der Regelstreckenkennlinie 66
3.3.3 Einfluss von Störungen auf P-Regelstrecken 69
3.4 Regelstrecken ohne Ausgleich 75
3.5 Dynamisches Verhalten von Regelstrecken 78
3.5.1 Physikalische Ursachen und Klassifikationsschema 78
3.5.2 P-Strecken 0. Ordnung (P-T0-Strecken) 80
3.5.3 P-Strecken mit Totzeit (P-Tr-Strecken) 81
3.5.4 P-Strecken l. Ordnung (P-Ti-Strecken) 83
3.5.5 P-Strecken l. Ordnung mit Totzeit (P-Ti-TrStrecken) 84
3.5.6 P-Strecken höherer Ordnung (P-Tn-Strecken) 85
3.6 Schwierigkeitsgrad und Regelbarkeit von Regelstrecken 86


4 Regeleinrichtungen 91

4.1 Eigenschaften der Regler 95
4.1.1 Proportionalregler, P-Regler 95
4.1.2 Integral-Regler, I-Regler 98
4.1.3 Proportional-Differential-Regler,PD-Regler 100
4.1.4 Proportional-Integral-Regler, PI-Regler 101
4.1.5 PID-Regler 103
4.1.6 Reales Verhalten der Regler 104
4.2 Auswahl von Regelgeräten 105
4.3 Stetig arbeitende Regelgeräte 106
4.3.1 Elektronische Regler 108
4.3.2 Pneumatische Regler 111
4.3.3 Regler ohne Hilfsenergie 116
4.3.3.1 Temperaturregler 116
4.3.3.2 Druckregler 118
4.3.3.3 Differenzdruckregler und Überströmventile 119
4.4 Zweipunktregler 121
4.4.1 Zweipunktregler ohne Rückführung 123
4.4.2 Zweipunktregler mit Rückführung 128
4.5 Stetig-ähnliche Regler 129
4.6 Stellantriebe 131
4.6.1 Elektromotorische Stellantriebe 131
4.6.2 Elektrothermische Stellantriebe 133
4.6.3 Elektromagnetische Stellantriebe 135
4.6.4 Pneumatische Stellantriebe 136
4.6.5 Stellantriebe mit Positionsregelung 137


5 Stellglieder 141

5.1 Stellventile und ihre Auslegung 141
5.1.1 Einführung 142
5.1.2 Bauformen von Stellventilen 145
5.1.3 Kenngrößen und Kennlinien von Stellventilen 149
5.1.4 Grundlagen für die Berechnung hydraulischer Schaltungen 159
5.1.5 Hydraulische Grundschaltungen 172
5.1.6 Auslegung von Stellventilen 181
5.1.6.1 Auslegung für den Nennbetrieb - der einfachste Fall 181
5.1.6.2 Auslegung unter Berücksichtigung der Grundform der Ventilkennlinie sowie der Ventilautorität 184
5.1.6.3 Dreiwegeventile 195
5.1.7 Stellantriebe 199
5.2 Weitere Stellglieder 203
5.2.1 Pumpen 203
5.2.2 Ventilatoren 210


6 Der geschlossene Regelkreis 217

6.1 Der geschlossene Regelkreis als schwingungsfähiges System 219
6.1.1 Frequenzgang 219
6.1.2. Schwingungen in einem Regelkreis 233
6.1.3 Stabilitätskriterien 235
6.1.3.1 Stabilitätskriterium von Nyquist 236
6.1.3.2 Stabilitätsreserve 236
6.1.4 Berechnung der Parameter eines Regelkreises 238
6.1.5 Grundsätzlich stabile oder instabile Regelkreise 239
6.1.6 Bode-Diagramm 243
6.1.7 Stabilitätskurve 248
6.2 Der geschlossene Regelkreis als statisches System 254
6.2.1 Regelkreis mit linearen Regelstreckenkennlinien 254
6.2.2 Regelkreis mit nichtlinearen Regelstreckenkennlinien 258
6.2.3 Stabilisierung durch Verkleinern des Regelbereiches 260
6.3 Der geschlossene Regelkreis als dynamisches System 263


7 Einstellregeln 265

7.1 Einführung 265
7.2 Gütemaße 267
7.3 Einstellregeln 268
7.3.1 Beispiel-Regelkreis 268
7.3.2 Einstellregeln nach Ziegler und Nichols 269
7.3.3 Einstellregeln nach Chien, Hrones und Reswick 272
7.3.4 Auswirkungen der Reglerparameter beim PID-Regler 276


8 Erweiterte Regelkreisschaltungen 279

8.1 Störgrößenaufschaltung 279
8.2 Kaskadenregelung 281


9 Grundlagen der elektrischen Steuerungstechnik 285


9.1 Schalt-, Melde- und Stellgeräte 290
9.1.1 Schaltglieder 290
9.1.2 Daten und Einteilungen von Schaltgeräten 292
9.1.3 Handschalter 294
9.1.4 Grenzschalter 297
9.1.4.1 Endschalter 297
9.1.4.2 Temperaturwächter und Temperaturbegrenzer 298
9.1.4.3 Bimetallüberstromrelais 299
9.1.4.4 Strömungswächter 301
9.1.4.5 Druck- und Differenzdruckwächter 302
9.1.4.6 Niveauwächter 302
9.1.5 Sicherungen und Schutzschalter 304
9.1.5.1 Schmelzsicherungen 304
9.1.5.2 Leitungsschutzschalter 305
9.1.5.3 Leistungsschalter 307
9.1.5.4 Motorschutzschalter 307
9.1.5.5 Fehlerstromschutzschalter 308
9.1.6 Relais und Schütz 308
9.1.7 Remanenzschütz und verklinktes Hilfsschütz 311
9.1.8 Relais mit Zeitfunktionen und Programmgeber 311
9.1.8.1 Zeitrelais 311
9.1.8.2 Wischrelais 313
9.1.8.3 Programmgeber 313
9.1.9 Meldegeräte 314
9.1.10 Magnetantriebe und Stellmotoren 314
9.2 Schaltungsunterlagen 317
9.2.1 Übersichtsschaltplan 317
9.2.2 Stromlaufplan 318
9.2.3 Verdrahtungsplan 318
9.2.4 Regeln für die Erstellung von Stromlaufplänen in aufgelöster Form 320
9.2.4.1 Struktur 320
9.2.4.2 Zeichenregeln 320
9.2.4.3 Methodik beim Entwurf von Stromlaufplänen 321
9.2.4.4 Kennzeichnungen in Stromlaufplänen 322
9.2.5 Vorschriften und Empfehlungen 325
9.2.6 Rechnerunterstützte Erstellung von Schaltungsunterlagen 328
9.3 Allgemeine Grundschaltungen 329
9.3.1 Logische UND-und ODER-Schaltungen 329
9.3.2 Dauer- und Impulsbefehlsgabe 329
9.3.3 Selbsthalteschaltlungen 330
9.3.4 Befehlsgabe von mehreren Stellen 331
9.3.5 Folgeschaltungen 331
9.3.6 Signalvervielfachung 332
9.3.7 Verriegelungsschaltungen 332
9.3.7.1 Verriegelung über Tasterkontakte 333
9.3.7.2 Verriegelung über Schützkontakte 333
9.3.8 Einfache Meldeschaltungen für Betriebs- und Störungsanzeigen 334
9.3.8.1 Optische Anzeige von Betriebszuständen 334
9.3.8.2 Störungsspeicherung und Quittierung 335
9.3.8.3 Lampenprüfüng 336
9.3.8.4 Akustische Sammelstörmeldung 336
9.3.9 Hand-Automatik-Umschaltung 337
9.4 Steuerschaltungen für Drehstrommotoren 338
9.4.1 Motorschutz 338
9.4.2 Drehrichtungsumsteuerung eines Drehstrommotors 341
9.4.3 Drehzahlumschaltungen bei Drehstrom-Kurzschlussläufermotoren 342
9.4.3.1 Motor mit zwei getrennten Wicklungen 342
9.4.3.2 Motor mit umschaltbarer Wicklung nach Dahlander 344
9.4.3.3 Motoren mit drei und mehr Drehzahlen 345
9.4.4 Automatische Anlassschaltungen für Drehstrom-Asynchronmotoren 345
9.4.4.1 Stern-Dreieck-Umschaltung 346
9.4.4.2 Ständeranlasser mit Widerständen 347
9.4.4.3 Anlasstransformator 348
9.4.4.4 Elektronische Sanftanlaufgeräte 349
9.4.4.5 Anlassen von Schleifringläufermotoren 349
9.5 Spezielle Schaltungsbeispiele aus der Versorgungstechnik 351
9.5.1 Steuerschaltungen für die Raumlufttechnik 351
9.5.1.1 Frostschutz 351
9.5.1.2 Ventilatorkeilriemen- und Strömungsüberwachung 352
9.5.1.3 Steuerung einer Klimaanlage 353
9.5.2 Steuerschaltungen für die Heizungstechnik 355
9.5.2.1 Steuergerät für einen Ölzerstäubungsbrenner 355
9.5.2.2 Doppelpumpensteuerung 359
9.5.3 Steuerschaltungen für die Wassertechnik 360
9.5.3.1 Steuerschaltung für zwei Brunnenpumpen 360
9.5.3.2 Druckerhöhungsanlage 361
9.5.4 Steuerschaltungen für die Kältetechnik 366
9.5.4.1 Sicherheitskette und Absaugsteuerung (pump out) 366
9.5.4.2 Betriebswechselschaltung für zwei Verdichter 368
9.5.5 Energiemanagement 369
9.6 Schaltschrank 371
9.6.1 Gehäuse 371
9.6.2 Geräteanordnung 373
9.6.3 Verdrahtung 375
9.6.4 Schutzmaßnahmen 378
9.6.4.1 Erdung 378
9.6.4.2 Überspannungsschutz 378
9.6.4.3 Explosionsschutz 378


10 Anwendungen 381

10.1 Regelung von Heizungsanlagen 381
10.1.1 Regelung von Wärmeerzeugern 388
10.1.1.1 Rücklauftemperaturregelung 388
10.1.1.2 Regelung von Mehrkesselanlagen 392
10.1.2 Regelung der Wärmeverteilung 397
10.1.2.1 Hydraulische Grundschaltungen 397
10.1.2.2 Differenzdruckregelung mit einer Verteilnetzpumpe 401
10.1.2.3 Hinweise zu Stellgliedern 408
10.1.2.4 Hinweise zu elektronisch geregelten Pumpen 410
10.1.3 Einzelraumregelung mit Thermostatventilen 413
10.1.3.1 Thermostatventil und Heizungsanlagen-Verordnung 414
10.1.3.2 Thermostatventil als stetiger Regler 415
10.1.3.3 Auslegung von thermostatischen Heizkörperventilen 423
10.1.3.4 Auslegungsbeispiel 432
10.1.3.5 Auslegung mit Haustechnik-Software 444
10.1.3.6 Vergleich zwischen Hand- und automatisierter Auslegung 450
10.1.3.7 Graphische Ausgabe des Strangschemas 453
10.1.3.8 Auslegung von thermostatischen Heizkörperventilen nach VDI 2073 454
10.1.4 Regelung von Fußbodenheizungen 455
10.1.4.1 Aufgabe und Wärmeleistung einer Fußbodenheizung 455
10.1.4.2 Regelung der Wärmeleistung einer Fußbodenheizung 457
10.1.4.3 Aufbau und Wirkungsweise von Einzelraumregelungen bei Fußbodenheizungen 459
10.1.5 Regelung von Fernheizungen 460
10.1.5.1 Aufgabe und Aufbau von Fernheizungsanschlüssen 460
10.1.5.2 Druckverteilung in einer Heißwasser-Fernleitung 464
10.1.5.3 Dimensionierung einer geregelten Wasserstrahlpumpe 468
10.2 Regelung von Raumlufttechnischen Anlagen (RLT) 472
10.2.1 Regelung von Lüftungsanlagen 474
10.2.1.1 Zulufttemperaturregelung 476
10.2.1.2 Kaskadenregelung 478
10.2.1.3 Lüftungsanlagen im VVS-Betrieb 479
10.2.1.4 Lüftungsanlagen mit Umluftbeimischung 481
10.2.2 Regelung von Klimaanlagen 482
10.2.2.1 Klimaanlage mit Luftwäscher 483
10.2.2.2 Klimaanlage mit Dampfbefeuchtung 489
10.2.3 Einzelraumregelung 492
10.3 Regelung in der Gasversorgung 498
10.3.1 Aufbau einer Gasdruckregelstrecke 498
10.3.2 Druckbereiche und Auswahlkriterien für Gasdruckregler 498
10.3.3 Gasdruckregelstrecken für verschiedene Druckbereiche 502
10.3.3.1 Gasdruckregelstrecken für Niederdrucknetze 502
10.3.3.2 Gasdruckregelstrecken für Mitteldrucknetze 503
10.3.4 Geräte für Gasdruckregelstrecken 505
10.3.4.1 Gasdruckregler 505
10.3.4.2 Sicherheitsabsperrventile 506
10.3.4.3 Sicherheitsabblaseventile 507
10.3.4.4 Gas-Magnetventile 508
10.3.4.5 Dichtheitskontrolle von Gas-Magnetventilen 508
10.4 Regelung in der solaren Wärmeversorgung 510
10.4.1 Einleitung 510
10.4.2 Regelungstechnische Einrichtungen 510
10.4.3 Einfache solare Systeme zur Brauchwassererwärmung 514
10.4.4 Solare Systeme zur Brauchwassererwärmung und Gebäudeheizung 515
10.5 Regelung von Wärmepumpenanlagen 517
10.5.1 Ein- und Ausschaltverfahren 517
10.5.2 Leistungsregelung bei Mehrzylinderverdichtern 519
10.5.3 Aufteilung der Leistung auf mehrere Verdichter 519
10.5.4 Drehzahlgeregelte Kolbenverdichter 520
10.5.5 Verdampferregelung 521
10.5.6 Sicherheitseinrichtungen 521
10.5.7 Beispielhafte Ausführung einer Wärmepumpenregelung 522
10.5.8 Monovalente Wärmepumpenheizanlage mit Fußbodenheizung 523
10.5.9 Kleinstwärmepumpen zur Warmwasserbereitung und Zulufterwärmung in Niedrigenergiehäusern 526
10.6 Regelung von Kälteanlagen 528
10.6.1 Verfahren zur Kälteerzeugung 528
10.6.2 Kreisprozess der Kompressionskältemaschine 528
10.6.3 Regelung der Kühlleistung 529
10.6.3.1 Regelung der Kälteleistung mit dem druckgeregelten Expansionsventil 530
10.6.3.2 Regelung der Kälteleistung mit dem thermostatischen Expansionsventil 531
10.6.3.3 Regelung der Kälteleistung mit elektronischen Expansionsventilen 532
Stichwortverzeichnis 535