Ratgeber
Funktionsweise von PID-Reglern
Bei Temperaturreglern handelt es sich, wie der Name bereits andeutet, um Geräte, die der Regulierung der Temperatur dienen. Sie sind beispielsweise in Zentralheizungen und Kühlschränken zu finden. Insbesondere bei der Temperaturregelung von Heizwasser kann ein sogenanntes "Überschwingen" auftreten. Das bedeutet: Der Brenner ist noch einige Zeit aktiv, obwohl der Sollwert schon erreicht ist. In solchen Fällen wird unnötigerweise Energie verbraucht. Bei Reglern ohne PID ist dieser Effekt sehr oft zu beobachten, dazu ein Beispiel:
Gegeben sei ein Sollwert von 25 ˚C. Wenn die Temperatur absinkt, zum Beispiel auf 20 ˚C, steuert der Regler nach und aktiviert den Brenner. Theoretisch geschieht das so lange, bis der Sollwert erreicht ist. In der Praxis erfasst der Temperatursensor nach dem Aufheizen aber oft eine Temperatur von 27 ˚C oder mehr, bedingt durch das Zeitverhalten der einzelnen Glieder im Regelkreis. Der Brenner wird also gestoppt. Nun sinkt die Temperatur wieder und der Kreislauf beginnt von vorn.
Ein PID-Temperaturregler dagegen „lernt“ aus dem Temperaturverhalten und reduziert schon kurze Zeit nach der Installation das Überschwingen. Die Temperaturdifferenz zwischen Sollwert und Ist-Wert bleibt deswegen minimal. Erreicht wird dies durch drei Regler, die über mathematische Funktionen, den PID-Algorithmus, gesteuert werden:
Der P-Regler wirkt proportional steuernd, der I-Regler integrierend steuernd und der D-Regler differenziell steuernd. Während der P-Regler die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Wert misst, summiert der I-Regler diese Abweichungen und vergleicht sie mit den bisher gespeicherten. Sind die Abweichungen zu groß, steuert er dagegen und aktiviert den Brenner. Der D-Glied-Regler reagiert auf plötzliche Schwankungen der Temperatur und greift in diesen Fällen sofort korrigierend ein.
PID-Regler halten die eingestellte Temperatur sehr exakt ein.
Einfache Programmierung über vier Tasten.
Neben PID-Reglern, die speziell der Heizungssteuerung dienen, gibt es Systeme für Temperaturbereiche von -200 bis über 2400 °C. Sie sind für Kühlräume, Kühlschränke, Trocknungs- oder Brennöfen geeignet oder kommen in Laboren zum Einsatz. High-End-Systeme verfügen über mehrere programmierbare Sollwerte und Optionen der Selbstoptimierung. Einfache Regler dagegen bieten deutlich weniger Einstellmöglichkeiten. Besonders beliebt sind PID-Temperaturregler mit programmierbarem Eingang, an den sowohl Temperaturmessfühler als auch Stromquellen angeschlossen werden können. Oft lassen sich die einzelnen PID-Werte abschalten oder unterschiedlich kombinieren.
PID-Regler einstellen – so geht’s
Für eine exakte PID-Regelung führt der Weg an einer Simulationssoftware kaum vorbei. Einfacher ist die sogenannte empirische Dimensionierung, also einfaches Ausprobieren nach praktischen Erfahrungswerten. Dabei werden die drei PID-Parameter als KP, KI und KD definiert. Man beginnt zunächst mit einer unkritischen Einstellung, indem für KP einer kleiner Wert gewählt wird. KI und KD sind auf 0 zu setzen. Der KP-Wert wird nun langsam erhöht, bis sich die Dämpfung verschlechtert. Wenn hierbei eine Schwingungsneigung auftritt, müssen Sie den Wert von KP etwas zurücknehmen. Anschließend erhöhen Sie KI und KD allmählich, und zwar so lange, bis das Ergebnis einigermaßen akzeptabel ist. Wird die Regelung stabiler, lassen sich auch die KI- und KD-Werte erhöhen, um genau jenen Punkt zu fixieren, bei dem keine oder nur geringe Schwankungen auftreten.
Unser Praxistipp: Einbauprobleme vermeiden
Damit Einbauprobleme von PID-Reglern aufgrund nicht vorhandener Gehäuse gar nicht erst entstehen, sollten Sie sich für ein Gerät entscheiden, das sich auf eine standardisierte Hutschiene montieren lässt, zum Beispiel neben bereits aufgeschobenen Elektrobauteilen in Verteilerkästen oder Schaltschränken. Ein weiterer Vorteil dieser Variante besteht darin, dass die Kontakte für die Ein- und Ausgangskabel leicht zu erreichen sind.
Worauf muss ich beim Kauf eines PID-Reglers besonders achten?
Die Wahl des Reglers hängt natürlich vom Einsatzzweck ab. Eines der wichtigsten Parameter stellen die Anschlussmöglichkeiten für das Eingangssignal dar. Dazu zählen neben Thermoelementen die Prozesssignale, Widerstandsthermometer und Potentiometer. Berücksichtigen Sie zudem den regelbaren Temperaturbereich, die Schaltleistung des Relais, die Anzahl der Relaisausgänge sowie die Einbaumaße.
Ist ein Alarmausgang Standard bei PID-Reglern?
Nein, preiswerte Regler verfügen meist über keinen speziellen Alarmausgang, Geräte aus der mittleren und oberen Preisklasse dagegen schon. Ein Alarmausgang ist dann sinnvoll, wenn ein Versagen der Heizung oder Kühlung großen Schaden anrichten kann, beispielsweise in Gewächshäusern oder Kühlräumen.