Der Unterschied zwischen Steuerung und Regelung

In meinem heutigen Beitrag möchte ich euch die beiden Begriffe „Steuerung“ und „Regelung“ vorstellen, da sie Grundlage der Automatisierungstechnik sind und speziell im Smart Home Bereich Anwendung finden.

Da die Begriffe Steuerung und Regelung immer wieder für denselben Kontext verwendet werden und eine Unterscheidung der beiden Begriffe immer seltener stattfindet, möchte ich euch anhand von zwei Beispielen den Unterschied zeigen.

Steuerung oder Regelung?

Steuer- und Regeleinrichtungen sorgen dafür, dass technische Abläufe automatisiert werden und den Komfort steigern oder Arbeitsabläufe vereinfachen. Immer wieder kommt es jedoch vor, dass in Werbebotschaften oder Beschreibungen von technischen Anlagen Aussagen wie:

„Die Regelung steuert…“ oder „Die Steuerung regelt…“

getroffen werden. Diese Aussagen sind falsch. Richtigerweise müsste es heißen:

„Die Regelung regelt…“ und „Die Steuerung steuert…“.

Im Folgenden möchte ich euch erklären, warum das so ist.

Die Steuerung

Eine einfache Steuerung besteht meist aus drei Bauteilen: einem Sensor (Fühler), einem Steuergerät und einem Aktor (Antriebselement). Der Ablauf einer Steuerung (Definition Steuerung nach DIN) kann vereinfacht wie folgt dargestellt werden:

Es gibt eine Eingangsgröße, welche über den Sensor aufgenommen und an das Steuergerät weitergeleitet wird. Im Steuergerät wird die eingehende Information anhand einer ermittelten Kennlinie oder eines hinterlegten Berechnungsalgorithmus verarbeitet und als eine Handlungsanweisung ausgegeben.

Die Grundlage der Handlungsanweisung ist dabei die im Steuergerät hinterlegte Soll-Größe, welche durch die Steuerung erreicht werden soll, sowie die eingehende Information der Eingangsgröße.

Abbildung 1: offener Wirkungsweg – Steuerkette

Die ermittelte Handlungsanweisung wird an den Aktor weitergeleitet, sodass dieser anschließend eine Aktion ausführt. Diese Aktion soll dafür sorgen, dass die Soll-Größe erreicht wird. Eine Rückmeldung an das Steuergerät, ob die Ausgangsgröße der Soll-Größe entspricht, erfolgt nicht.

Eventuelle Störgrößen wie Umwelteinflüsse auf den technischen Prozess werden nicht berücksichtigt. Bei dem dargestellten Ablauf spricht man daher von einem offenen Wirkungsweg oder einer Steuerkette.

Beispiel Heizungssteuerung

In unserem vereinfachten Beispiel haben wir ein Gebäude mit außentemperaturgeführter Heizungssteuerung. Das bedeutet, dass die Außentemperatur die Führungsgröße für unsere gewünschte Raumtemperatur ist.

Unsere Heizungssteuerung soll während der kalten Jahreszeit für eine Raumtemperatur von 20 °C (Soll-Größe) sorgen. Da wir in diesem Beispiel die Außentemperatur als Führungsgröße haben, soll dies in Abhängigkeit von der Außentemperatur erfolgen. Das bedeutet, die 20 °C Raumtemperatur sollen bei Außentemperaturen von -10 °C aber auch bei Außentemperaturen von +5 °C erreicht werden. Als Antriebselement (Aktor) dient uns hier ein Ventil mit Antriebsmotor.

Um die beiden Größen (Außentemperatur und Raumtemperatur) in Abhängigkeit zu bringen, kann man durch Versuche oder durch Berechnungen die jeweils benötige Heizleistung oder die benötigte Vorlauftemperatur für die Raumtemperatur von 20 °C sowie die zugehörige Ventilstellung bei den einzelnen Außentemperaturen ermitteln.

Dadurch wird ein Zusammenhang zwischen der Außentemperatur (Eingangsgröße) und der benötigten Ventilstellung, zur Erreichung der Raumtemperatur (Ausgangsgröße), mit Hilfe einer Kennlinie hergestellt. Die Kennlinie (Abbildung 2) könnte dann bei einer Solltemperatur von 20 °C folgende Werte hinterlegt haben:

Tabelle 1:  Werte der Kennlinie für die Heizungssteuerung

Für die außentemperaturgeführte Heizungssteuerung sind folgende Bauteile verarbeitet:

• Außentemperaturfühler (Sensor)
• Steuergerät (Informationsverarbeitung)
• Motorventil (Aktor)
• Heizkessel (Wärmequelle)
• Heizkörper (Wärmeüberträger)
• Heizungspumpe (Wärmetransport)

Abbildung 2: Kennlinie Heizungssteuerung

Der Steuerablauf der Heizungssteuerung (siehe Abbildung 3) würde folgendermaßen aussehen: Der Außentemperaturfühler misst permanent die Außentemperatur, welche in der Steuereinheit verarbeitet wird. Anschließend kann die anhand der Kennlinie ermittelte Ventilstellung über das Motorventil eingestellt werden.

Die anschließende Ventilstellung sorgt für die notwendige Vorlauftemperatur zur Erreichung der Raumtemperatur von 20 °C.

Die Außentemperatur ist somit als Eingangs- und Führungsgröße auch die einzige verwertbare Störgröße der Steuerung. Eine Messung der „echten“ Raumtemperatur und der Einfluss von weiteren Störgrößen, wie Personen im Raum (S1), offene Fenster (S2) oder Sonneneinstrahlung (S3) sowie eine Handlungsanweisung bei Überschreiten und bei Unterschreiten der gewünschten Raumtemperatur, erfolgt nicht (siehe Abbildung 4).

Abbildung 3: Schema Heizungssteuerung

Abbildung 4: Blockschaltbild Heizungssteuerung

In diesem Fall kann man also sagen, dass die hier aufgeführte außentemperaturgeführte Heizungssteuerung sehr ungenaue Ergebnisse für die Innentemperatur liefern würde.

Die Regelung

Anders als bei einer Steuerkette, die keine Kontrolleinrichtung für das Erreichen der Soll-Größe besitzt, wird bei einer Regelung (Definition Regelung nach DIN) die Soll-Größe permanent mit der Ist-Größe (Eingangs- und Ausgangsgröße) verglichen. Bei einer Regelung soll dadurch sichergestellt werden, dass die Soll-Größe erreicht wird und konstant bleibt.

Der Ablauf einer Regelung kann vereinfacht wie folgt dargestellt werden (siehe Abbildung 5): Ein Sensor in der Rückführung nimmt die Ist-Größe auf und leitet diese an das Regelgerät weiter. Im Regelgerät wird die eingehende Information mit der hinterlegten Soll-Größe verglichen. Gibt es eine Abweichung von der hinterlegten Soll-Größe, so wird über den Regelalgorithmus im Regelgerät eine entsprechende Handlungsanweisung ausgegeben.

Abbildung 5: geschlossener Wirkungsweg – Regelkreis

Diese Handlungsanweisung wird an einen Aktor weitergeleitet, welcher daraufhin eine Aktion ausführt. Die Aktion soll dafür sorgen, dass die hinterlegte Soll-Größe erreicht wird. Der Regler wiederholt diesen Vorgang so lange, bis die Ausgangsgröße der gewünschten Soll-Größe entspricht.

Hierbei werden einfallende Störgrößen auf den Prozess aufgrund des permanenten Vergleichs von Ist- und Soll-Größe berücksichtigt. Bei dem dargestellten Ablauf spricht man daher von einem geschlossenen Wirkungsweg oder einem Regelkreis.

Beispiel Heizungsregelung

In unserem zweiten vereinfachten Beispiel haben wir ein Gebäude mit einer raumtemperaturgeführten Heizungsregelung. Dabei sind folgende Bauteile verarbeitet:

• Raumtemperaturfühler (Sensor)
• Regelgerät (Informationsverarbeitung)
• Motorventil (Aktor)
• Heizkessel (Wärmequelle)
• Heizkörper (Wärmeüberträger)
• Heizungspumpe (Wärmetransport)

Unsere Heizungsregelung soll während der kalten Jahreszeit für eine Raumtemperatur von 20 °C (Soll-Größe) sorgen. Dies soll unabhängig von Störgrößen wie Sonneneinstrahlung, Außentemperatur oder Personen im Raum erfolgen. Das bedeutet, die Raumtemperatur von 20 °C soll permanent konstant sein.

Der Aufbau der raumtemperaturgeführten Heizungsregelung würde dann folgendermaßen aussehen (siehe Abbildung 5): Ein Temperaturfühler misst permanent die Raumtemperatur eines Referenzraumes, welche im Regelgerät mit der Soll-Größe verglichen wird.

Ist die Raumtemperatur niedriger als 20 °C, wird die Ventilstellung vergrößert. Ist die Raumtemperatur gleich der Soll-Temperatur, bleibt die Ventilstellung gleich. Ist die Raumtemperatur höher als 20 °C, wird die Ventilstellung verkleinert.

Störgrößen, wie Sonneneinstrahlung oder Personen im Raum, welche die Raumtemperatur beeinflussen, können somit durch den permanenten Vergleich mit der Soll-Temperatur über die Regelung ausgeglichen werden.

Eine Handlungsanweisung der Regelung erfolgt somit bei Überschreiten und bei Unterschreiten der Soll-Größe (siehe Abbildung 6). Es handelt sich hierbei um einen geschlossenen Wirkungsweg.

Abbildung 6: Schema Heizungsregelung

Abbildung 7: Blockschaltbild Heizungsregelung

In diesem Fall kann man sagen, dass die hier aufgeführte raumtemperaturgeführte Heizungsregelung genauere Ergebnisse für die Innentemperatur liefern kann.

Habe ich eine Heizungssteuerung oder eine Heizungsregelung?

Die beiden Beispiele zeigen, wie eine Heizungssteuerung oder eine Heizungsregelung aufgebaut sein kann. Realistisch betrachtet, würden die beiden vorgestellten Beispiele in der Praxis jedoch nicht vorkommen, da sie weder effizient noch bedarfsgerecht arbeiten. Eine Heizung soll nicht einfach nur für eine gewünschte Raumtemperatur sorgen, sondern auch zusätzlich den sinnvollen Energieeinsatz regulieren.

In der heutigen Zeit wird der Betrieb einer modernen Heizung daher mit Hilfe von vielen Steuer- und Regelprozessen gewährleistet. Eine energieeffiziente Heizungsanlage arbeitet also mit einer Kombination aus Steuerung und Regelung.

Weiterhin wird das lokale Reagieren und Agieren in einzelnen Räumen immer mehr durch spezielle Steuer- und Regelprozesse (intelligente Heizungssteuerung oder elektronische Heizkörperthermostate) unterstützt. Somit kann eine Raumtemperaturänderung in einem bestimmten Raum via Fernsteuerung stattfinden, die Raumtemperatur bei Nichtanwesenheit individuell abgesenkt oder auf Kaltluftabfälle durch Fensteröffnung reagiert werden.

Begriffe der Steuerung und Regelung abgrenzen

Bis 1994 sprach man bei einer Steuerung generell von einem System mit offenem Wirkungsweg (siehe Abbildung 1) und bei einer Regelung von einem System mit geschlossenem Wirkungsweg (siehe Abbildung 3).

Die beiden Begriffe Steuerung und Regelung wurden zunächst in der DIN 19226 definiert, welche im Jahr 2002 durch das „Internationale Elektrotechnisches Wörterbuch – Teil 351: Leittechnik“ (DIN IEC 60050-351) abgelöst wurde.

Im Jahr 1994  wurde die Definition der Steuerung angepasst, da es speziell in der digitalen Steuerungstechnik geschlossene Wirkungswege geben kann. Diese geschlossenen Wirkungswege sind jedoch meist Rückmeldungen zum positiven Abschluss eines Steuervorgangs oder das Auslösen von Alarmen und Sicherheitseinrichtungen. Da dies nicht der permanenten Überwachung der Soll-Größe entspricht, wird hier nicht von einer Regelung gesprochen.

In der binären Steuerungstechnik werden die Begriffe der Steuerung und Regelung aufgrund von Zielen und Aufgaben unterschieden. Man könnte diese Aufgaben und Ziele folgendermaßen beschreiben:

Die Aufgabe einer Steuerung ist die Verarbeitung von Eingangsgrößen über die Systemsteuerung, sodass anschließend eine entsprechende Handlung durch eine Ausgangsgröße ausgeführt werden kann, um die Soll-Größe zu erreichen.

Die Aufgabe einer Regelung ist die Stabilisierung eines Prozesses durch das Vergleichen einer Soll-Größe. Wird die Soll-Größe überschritten oder unterschritten wird eine entsprechende Handlung ausgeführt.

Ich hoffe, ich konnte euch mit diesem Beitrag den Unterschied zwischen Regelung und Steuerung etwas verdeutlichen. Es ist nicht immer sofort ersichtlich, ob es sich um einen Regelungs- oder um einen Steuerprozess handelt, daher sollten die Begriffe mit Bedacht eingesetzt werden. Falls ihr Fragen, Anregung oder Kritik habt, nutzt die Kommentarfunktion.

Liebe Grüße! Martin

Weiterführende Links und Quellen:
Wikipedia – Regelungstechnik
Wikipedia – Steuerungstechnik
Taschenbuch für Heiz- und Klimatechnik 07/08
Ausgabe zu Mess- und Regelungstechnik – Beuth Hochschule
Grundlagen der Regelungstechnik – Kai Bollue
Ing.-Büro Wagner VDI Beratende Ingenieure Reutlingen
Prof. Dr.-Ing. Matthias Seitz – SPS-Lern-und-ÜbungsseiteErich Kleiner, DHBW Mannheim – Steuerung und Regelung
Bruno Bosy – Einstellen der Heizkurve