Glossar der Regelungssysteme in Technologie und Luftfahrt

Regelungssystem

Ein Regelungssystem ist eine Anordnung von Geräten, Algorithmen und Netzwerken, die das Verhalten und den Betrieb anderer Systeme oder Prozesse steuert, lenkt oder regelt. Es empfängt Eingangssignale (wie Sensordaten), verarbeitet diese nach programmierter Logik oder mathematischen Modellen und gibt Ausgangsbefehle aus, um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen oder zu halten. Regelungssysteme sind grundlegend für die Luftfahrt (Flugstabilität und -sicherheit), industrielle Automatisierung, Robotik, Energiemanagement und zahlreiche andere Bereiche.

Formell können Regelungssysteme automatisch (ohne direkte menschliche Eingriffe) oder manuell (mit Bedienereingaben) betrieben werden. Der moderne Trend, besonders in sicherheitskritischen Anwendungen wie Luftfahrt und Energie, geht jedoch in Richtung zunehmender Automatisierung und Autonomie. Die Kernfunktion besteht darin, eine Prozessgröße – wie Höhe, Motordrehzahl, Temperatur oder Druck – auf einem Sollwert zu halten, auch wenn äußere Störungen oder interne Änderungen auftreten.

Es gibt zwei Haupttypen:

• Offene Regelungssysteme: Arbeiten ausschließlich nach vordefinierter Logik oder Zeitplänen, ohne die tatsächliche Ausgabe zur Korrektur zu messen.
• Geschlossene (Rückkopplungs-)Regelungssysteme: Überwachen kontinuierlich die Ausgaben und vergleichen sie mit Sollwerten, passen die Befehle bei Bedarf an, um Fehler zu minimieren.

Zu den Komponenten gehören typischerweise Sensoren (zur Messung), Regler (für Berechnung und Logik), Stellglieder (zur Umsetzung von Änderungen) und Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) (für Überwachung und Eingriff durch den Bediener). Kommunikationsnetzwerke verbinden diese Elemente und ermöglichen eine zuverlässige, echtzeitfähige Datenübertragung, insbesondere in verteilten oder vernetzten Umgebungen.

Regelungssysteme sind das Rückgrat moderner Technologien und entwickeln sich rasant mit der Integration digitaler Rechenleistung, KI und robuster Netzwerke – sie treiben die Grenzen von Automatisierung, Effizienz, Sicherheit und Fernsteuerung immer weiter hinaus.

Sensor

Ein Sensor ist ein physikalisches Gerät, das eine Eigenschaft (wie Temperatur, Druck, Position oder chemische Zusammensetzung) erkennt und misst und sie in ein von einem Regelungssystem lesbares Signal umwandelt. Sensoren liefern die Rohdaten, die für die Überwachung von Prozessen und die Präzision und Sicherheit in der Automatisierung unerlässlich sind.

Beispiele aus der Luftfahrt:

• Pitotrohre und Luftdatensonden (Fluggeschwindigkeit, Höhe)
• Inertiale Messeinheiten (IMUs) für Lage und Bewegung
• Temperatur- und Drucksensoren in Triebwerken und Kabinen

Beispiele aus der Industrie:

• Thermoelemente, Widerstandsthermometer (Temperatur)
• Dehnungsmessstreifen, piezoelektrische Wandler (Kraft, Druck)
• Näherungs- und Positionssensoren (Robotik, Automatisierung)

In sicherheitskritischen Systemen sind Sensoren oft redundant ausgelegt und mit Selbstdiagnosefunktionen ausgestattet, um Fehler zu erkennen, gemäß ICAO- und Industriestandards. Moderne Sensoren verfügen häufig über integrierte Verarbeitung, Netzwerkschnittstellen (ARINC 429, CAN-Bus) und fortschrittliche Kalibrierung für Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen.

Regler

Ein Regler ist das Verarbeitungselement eines Regelungssystems. Er empfängt Sensordaten, vergleicht sie mit den Sollwerten und bestimmt die notwendigen Ausgänge an Stellglieder. Regler können einfache analoge Schaltungen, speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Mikrocontroller oder komplexe eingebettete Computer sein.

Beispiele aus der Luftfahrt:

• Flugmanagementsysteme (FMS)
• Autopilot- und Fly-by-Wire-Computer
• Triebwerksregelgeräte (ECU/FADEC)

Beispiele aus der Industrie:

• SPS in Fertigungslinien
• Prozessregler in Chemieanlagen

Regler setzen verschiedene Algorithmen ein:

• PID (Proportional-Integral-Differential) zur Fehlerkorrektur
• Modellbasierte oder adaptive Regelung für komplexe, sich verändernde Umgebungen

Sicherheitskritische Systeme nutzen redundante Regler mit fehlertolerantem Design, wie von DO-178C oder IEC 61508 gefordert. Regler können Cybersecurity-Features und Fernwartung für sichere, zuverlässige Funktionalität beinhalten.

Stellglied

Ein Stellglied ist ein Gerät, das die Ausgangssignale des Reglers in physikalische Aktionen umsetzt und damit den Prozess oder die Maschine beeinflusst.

Beispiele aus der Luftfahrt:

• Servomotoren für Steuerflächen (Höhenruder, Querruder, Seitenruder)
• Hydraulikstellglieder (Fahrwerk, Klappen)
• Elektrische Stellglieder (Ventile, Klimaregelung)

Beispiele aus der Industrie:

• Elektromotoren (Förderbänder, Pumpen)
• Magnetventile (Fluidregelung)
• Piezoelektrische Stellglieder (Präzisionsaufgaben)

Die Auswahl von Stellgliedern richtet sich nach Ansprechgeschwindigkeit, Kraft, Präzision, Zuverlässigkeit und Umgebungsbedingungen. Sicherheit hat höchste Priorität: Redundante Stellglieder und Positionsrückmeldung sind Standard in der Luftfahrt und kritischer Infrastruktur.

Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI)

Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) ist die Plattform, über die Menschen mit automatisierten Systemen interagieren. Sie bietet Visualisierungen, Bedienelemente, Warnmeldungen und Echtzeit-Prozessdaten.

Beispiele aus der Luftfahrt:

• Fluganzeigen im Cockpit (PFD, MFD, EICAS)
• Touchscreen-Bedienungen, Head-up-Displays, Sprachsteuerung

Beispiele aus der Industrie:

• Touchscreen-Bedienfelder an Maschinen
• SCADA-Dashboards zur Prozessüberwachung

Bei der HMI-Gestaltung stehen Ergonomie und Mensch-Maschine-Faktoren im Vordergrund – mit klaren Warnungen, intuitiven Bedienelementen und Schutz vor Cyberangriffen. Fernzugriffs-HMIs werden immer häufiger eingesetzt, was hohe Sicherheitsanforderungen stellt.

Kommunikationsnetzwerk

Ein Kommunikationsnetzwerk verbindet die Komponenten von Regelungssystemen (Sensoren, Regler, Stellglieder, HMIs) und ermöglicht einen zuverlässigen Datenaustausch.

Luftfahrtprotokolle:

• ARINC 429/629 (deterministische Avionik-Datenbusse)
• CAN-Bus
• ARINC 664/AFDX (Ethernet-basiert, hohe Bandbreite, redundant)

Industrieprotokolle:

• Profibus, Modbus, Ethernet/IP, OPC UA

Robustheit, Sicherheit, Redundanz und Echtzeitfähigkeit sind essentiell. In IoT- und vernetzten Umgebungen sind fortschrittliches Management und Cybersecurity entscheidend.

Offenes Regelungssystem

Ein offenes Regelungssystem arbeitet nach vordefinierter Logik oder Zeitsteuerung, ohne seine tatsächliche Ausgabe zu messen oder zu korrigieren. Es geht von vorhersehbarem Systemverhalten aus.

Beispiele:

• Zeitgesteuerte Enteisungssysteme in der Luftfahrt
• Waschmaschinen, Toaster

Offene Systeme sind einfach und kostengünstig, können aber Störungen oder Veränderungen nicht ausgleichen. Sie eignen sich für unkritische, vorhersehbare Anwendungen.

Geschlossenes (Rückkopplungs-)Regelungssystem

Ein geschlossenes (Rückkopplungs-)Regelungssystem misst kontinuierlich seine Ausgabe, vergleicht sie mit einem Sollwert und passt die Eingabe an, um den Fehler zu minimieren.

Beispiele aus der Luftfahrt:

• Autopiloten, die die Flugbahn anhand von Sensordaten anpassen
• Triebwerksregelgeräte, die den Schub konstant halten

Beispiele aus der Industrie:

• Temperaturregler, Spannungsregler

Die geschlossene Regelung gewährleistet Genauigkeit, Anpassungsfähigkeit und Stabilität – entscheidend für dynamische oder sicherheitskritische Umgebungen.

SISO und MIMO

SISO (Single Input Single Output)-Systeme steuern einen Eingang und einen Ausgang.
MIMO (Multiple Input Multiple Output)-Systeme verarbeiten mehrere Ein- und Ausgänge und steuern komplexe Wechselwirkungen.

MIMO-Beispiel in der Luftfahrt:

• Koordinierte Flugregelung (Nick, Roll, Gier, Schub)

MIMO-Systeme erfordern fortschrittliche Modellierung und Regelstrategien, z.B. Zustandsraum- oder modellprädiktive Regelung.

Eingebettetes Regelungssystem

Ein eingebettetes Regelungssystem ist ein dedizierter Regler, der in ein größeres Gerät integriert ist und spezifische Echtzeitfunktionen übernimmt.

Beispiele aus der Luftfahrt:

• FADEC für Triebwerke
• Kabinendruckregler

Konstruktionsmerkmale:

• Optimiert für Größe, Gewicht, Stromverbrauch
• Zuverlässig unter strengen Zertifizierungen (DO-178C)

Eingebettete Systeme bilden das Rückgrat moderner Avionik, Konsumgüter und industrieller Automatisierung.

Verteiltes Regelungssystem (DCS) und Vernetztes Regelungssystem (NCS)

Ein verteiltes Regelungssystem (DCS) nutzt mehrere Regler, die über eine Anlage verteilt sind und über ein Netzwerk koordiniert werden.

Beispiele aus der Industrie:

• Raffinerien, Kraftwerke, Energiemanagement an Flughäfen

Ein vernetztes Regelungssystem (NCS) ist jedes Regelungssystem, bei dem Komponenten über Netzwerke, einschließlich drahtloser oder Ethernet-basierter Systeme, kommunizieren – so wird Fernüberwachung und verteilte Intelligenz ermöglicht.

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)

SCADA-Systeme ermöglichen übergeordnete Steuerung und zentrale Datenerfassung für räumlich verteilte Anlagen.

Beispiele aus der Luftfahrt:

• Flughafenbeleuchtung, Klimatechnik, Gepäckabfertigung

Funktionen:

• Echtzeitüberwachung, Alarmierung, Fernsteuerung
• Sichere Kommunikation und robuste Datenprotokollierung

SCADA ist essenziell für Betriebseffizienz und Sicherheit großer Infrastrukturen.

Rückkopplung

Rückkopplung ist der Prozess, einen Teil der Ausgabe zurück an den Regler zu führen, um Echtzeitvergleich und Anpassung zu ermöglichen.

• Negative Rückkopplung stabilisiert Systeme (z.B. Thermostat)
• Positive Rückkopplung verstärkt Änderungen (riskant, wenn unkontrolliert)

Rückkopplung ist für geschlossene Regelkreise unerlässlich und sichert Genauigkeit und Robustheit.

Dieses Glossar bietet grundlegende Definitionen zu Kernbegriffen der Regelungssysteme in Luftfahrt, Technologie und Industrie. Für weitere Details oder maßgeschneiderte Lösungen kontaktieren Sie uns oder vereinbaren Sie eine Demo .