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Lexikon der Biologie: Regelung

Regelung, selbsttätige Regelung, Regulierung (Regulation) durch negative Rückkopplung (Feedback). Wirkungsprinzip in Organismen und in der Technik, demzufolge etwaige Abweichungen von einem gegebenen Zustand oder Funktionszustand (Funktion) selbsttätig – über einen gesonderten Funktionsweg – Wirkungen hervorrufen, die den Abweichungen entgegengesetzt sind und sie im Idealfall kompensieren. Es handelt sich also um einen Kreisprozeß (Abweichung → gesonderter Funktionsweg → Wirkung gegen die Abweichung...). Das zugrundeliegende funktionelle System ist der Regelkreis. Der Regelkreis besteht im einfachsten Fall aus 3 Gliedern: 1) einem Registrier- oder Meßglied für die Regelabweichungen (Fühler), das zugleich entsprechende Signale erzeugt, also ein Transducer ist; 2) einer Signalübertragung (Information [Abb.]) und 3) einem von den ankommenden Signalen gesteuerten Wirkungsträger (Stellglied), der Gegenwirkungen gegen die auslösenden Abweichungen ausüben kann. Der (Funktions-)Zustand, dessen jeweiliger Meßwert (Istwert) vom Fühler registriert und dann vom Stellglied beeinflußt wird, verdiente genau genommen den Namen „geregelte Größe“, wird aber Regelgröße genannt. Außeneinflüsse auf die Regelgröße, die deren Abweichungen bewirken, heißen Störgröße. Falls das Stellglied die Regelgröße nicht unmittelbar, sondern über ein oder mehrere funktionelle Zwischenglieder beeinflußt, so bezeichnet man die Verbindung vom Ort der Stellgliedwirkung zum Meßort des Fühlers recht unpräzise als „Regelstrecke“. Das Steuerkommando für das Stellglied heißt Stellgröße. Als Sollwert eines Regelkreises bezeichnet man sinngemäß denjenigen (Funktions-)Zustand, bei dem die Stellgliedtätigkeit ihr Ziel, etwaige Abweichungen zu kompensieren, erreicht hat. Das ist der Fall, wenn der Fühler keine Abweichung mehr registriert, formal also die Meldung „null“ absendet. Beim Regelkreis ist also im einfachsten Fall der Sollwert identisch mit dem Nullwert der Meßskala des Fühlers. – Das ändert sich, sobald zu den 3 genannten Funktionsgliedern (Fühler, Signalübertragung, Stellglied) ein viertes dazutritt, ein Sollwertgeber. Er läßt Signale, Führungsgröße genannt, in die Signalübertragung zwischen Fühler und Stellglied einfließen (im einfachsten Fall additiv). Hierdurch wird (anstelle des Nullwerts der Fühler-Meßskala) die Führungsgröße zum Sollwert des Regelkreises. Um dies anschaulich zu erfassen, setze man in ein Regelschema theoretisch Zahlenwerte ein (z.B. Führungsgröße = 2) und ermittle durch Rechnung, wie sich das System daraufhin verhält. Der Funktionswert „Regelabweichung“ entsteht jetzt durch die Verrechnung der Führungsgröße mit dem Istwert der Regelgröße, im einfachsten Fall durch Subtraktion. Man spricht auch von einem „Vergleichen von Istwert und Sollwert“, meint damit aber nichts anderes als die Differenzbildung. – Die bis hierher beschriebene Art der Regelung trägt den Namen Proportionalregelung (P-Regelung), weil zeitlich variierende Regelabweichungen Stellgrößen hervorrufen, die ihnen proportional sind. Bei einer zeitlich gleichbleibenden positiven oder negativen Störgröße erreicht ein P-Regler niemals seinen Sollwert: Der Beginn der Störung verursacht zunächst eine vom Fühler registrierte Regelabweichung; hierauf folgt die entgegengerichtete Tätigkeit des Stellglieds. Würde daraufhin der Sollwert wieder voll erreicht werden, so müßte das zweierlei Folgen haben: Erstens würde die Tätigkeit des Stellglieds daraufhin aufhören (sie wird ja nur durch Abweichungen des Istwerts vom Sollwert veranlaßt); zweitens würde die weiter wirkende Störgröße nun natürlich eine erneute Abweichung hervorrufen. Das System käme also beim Erreichen seines Sollwerts gar nicht zur Ruhe. Ein Ruhezustand stellt sich jedoch bei einer bestimmten bleibenden Abweichung des Istwerts vom Sollwert ein, und zwar, wenn die entsprechende Stellgliedfunktion dem konstanten Störgrößeneinfluß gerade die Waage hält. Die Abweichung vom Sollwert, bei der dies geschieht, trägt den Namen Proportionalabweichung (weil sie ein Charakteristikum der „Proportionalregelung“ ist). – Ein zum Proportionalregler hinzutretendes weiteres (in unserer Zählung fünftes) Funktionsglied verleiht der Regelung die Fähigkeit, auch bei anhaltender Störgröße den Sollwert zu erreichen: Dieses Funktionsglied transformiert das Signal „Regelabweichung“ in das Kommando „Verstärken der Stellgliedtätigkeit in der Gegenrichtung zur Regelabweichung“. Der Betrag der Regelabweichung bestimmt jetzt nicht mehr, wie beim P-Regler, die Wirkungsstärke des Stellglieds, sondern wie schnell sich diese ändern soll. Daher wächst hier die Stellgliedtätigkeit so lange weiter an, wie überhaupt noch eine Regelabweichung gemeldet wird. Ist dadurch schließlich die Regelabweichung voll kompensiert, also gleich Null, so entspricht das dem Kommando: „Stellgliedtätigkeit nicht mehr ändern“, d.h. sie weiterhin so stark weiterlaufen lassen, wie es gerade geschieht. Damit erreicht der Regelprozeß trotz anhaltender Störgröße tatsächlich seinen Sollwert und hält ihn ein. Ein Funktionsglied, das eingehende Signale als Änderungskommandos für ihren Signalausstrom verwendet, leistet – mathematisch gesehen – eine zeitliche Integration; darum heißt die in diesem Absatz beschriebene Form der Regelung Integralregelung (I-Regelung). – Außer reinen P-Reglern und I-Reglern gibt es auch Mischformen, bei denen sich das Stellkommando additiv aus proportionalen und zeitlich integrierten Anteilen zusammensetzt (PI-Regler). Schließlich kann auch der zeitliche Differentialquotient der Regelabweichung separat gewonnen und zusätzlich in das Stellkommando eingespeist werden („Differentialanteil“, z.B. im PD-Regler). Dann reagiert der Regelkreis um so stärker, je schneller sich eine Regelabweichung ändert. – Regelkreise haben eine Systemeigenschaft (System), die man ihnen bei der bloßen Betrachtung ihrer Funktionsstruktur nicht ansieht: Falls die durch Regelabweichungen ausgelösten Gegenreaktionen über ihr Ziel, den Sollwert, zu weit hinausschießen, entstehen Schwingungen mit anwachsender Schwingungsweite, bis entweder das ganze System zerstört wird (Regelkatastrophe) oder bis die Schwingungen durch Energiemangel begrenzt werden. Instabil wird ein Regelkreis beim Überschreiten einer Kennzahl, die sich aus seiner inneren Verstärkung (Verhältnis zwischen Regelabweichung und Stellgliedwirkung) und seiner Totzeit (Zeitabstand zwischen beginnender Regelabweichung und beginnender Stellgliedfunktion) errechnet: Je größer die Verstärkung und je länger die Totzeit, desto eher wird ein Regelkreis instabil. – Bei Reglern mit Sollwertgebern ist die Regelabweichung gleich der Differenz zwischen Führungsgröße und Fühlermeldung. Ändert sie sich häufig, so kann dies mehr auf variierende Störgrößen oder aber auch vornehmlich auf Variationen der Führungsgröße zurückgehen. Im ersten Fall korrigiert die Regelung im wesentlichen die Folgen von Störungen (Halteregler), im zweiten läßt sie vorwiegend die Regelgröße den Sollwertänderungen folgen (Folgeregler, „Servomechanismus“). In der Struktur stimmen beide Reglerarten überein. Die unterschiedliche Benennung spiegelt nur wider, wozu sie überwiegend gebraucht werden. Folgeregelungen dienen vorwiegend der Einspeisung der notwendigen Energie für die Änderung und Durchführung von Steuerprozessen (Servolenkung). – Betrachtet man einen Regelkreis als Funktionssystem, so besteht er aus einer geschlossenen Kette von Einzelfunktionen. Will man die Dynamik eines Regelsystems untersuchen, so öffnet man dazu, falls möglich, die geschlossene Kette („Aufschneiden des Regelkreises“), vor allem, indem man die Wirkung der Stellgröße auf die Regelgröße unterbricht. Man hat dann mathematisch einfachere, besser analysierbare Verhältnisse vor sich. In einem aufgeschnittenen Regelkreis spielt sich keine Regelung mehr ab, sondern nur noch eine Steuerung. – Biologische Regelung vgl. Infobox und Regelung im Organismus ).

B.H.

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