Regelungstechnik: Hysterese bzw. Zweipunkt-Regelung

In diesem Lernvideo geht's um Wein … und um Regelungstechnik … und um die Schalthysterese. Kostenlose Übungsblätter gibt's im Download-Bereich.

Hallo lieber Niesnutzer! Wie gesagt: Es geht um Wein und um Regelungstechnik. Interessante Kombination, oder? Viel Spaß damit 🙂 Die Arbeitsblätter dazu findest Du, wie immer kostenlos, im Download-Bereich. Du benötigst dazu das Passwort, das Dir automatisch zugesendet wird, wenn Du diesem Kanal kostenlos per Email folgst.

Untertitel für alle, die gerade noch Deutsch lernen

Falls Du Dich mit Deutsch manchmal noch schwer tust und bereit bist, es etwas besser zu lernen: Dieser Text ist für Dich:

Hallo lieber Niesnutzer! Schön, dass Du wieder da bist. Heute erfährst Du bei mir, warum es im Jahr 2011 beim Weingut Ria Rivaner beinahe keinen Wein gegeben hätte. Und dann wollte ich Euch auch noch erklären, wie eine Hysterese-Regelung funktioniert. Oder auch genannt eine Zweipunkt-Regelung. Denn das war eine Zuschauerfrage. Ich freue mich übrigens immer über Zuschauerfragen. Wenn Ihr irgendetwas wissen wollt, schreibt mir es immer gerne unten in die Kommentare.
Übrigens, falls das mit dem Wein nicht so Eure Sache ist, ich komme ja von der Mosel und deshalb darf ich so eine Regelung auch mal mit Wein erklären. Aber ich weiß, dass viele von Euch Niesnutzern auch mal gar keinen Alkohol trinken. Dann funktioniert das gleiche natürlich auch mit Traubensaft.
Und los geht’s. Ich habe hier schon mal das Technikschema von der Anlage vom Weingut Ria Rivaner eingeblendet. Da sieht man hier unten einen Bottich in den der ausgepresste Traubensaft, also der Bottich steht unter der Kelter und der ausgepresste Traubensaft, der soll nun zunächst einmal in diesem Bottich gesammelt werden. Dann gibt es jetzt zwei Löcher. Das eine Loch, das kommt vom Kelter und über das eine Loch da kommt der Wein rein in den Bottich. Über das andere Loch, da ist hier eine Pumpe angeschlossen und über das andere Loch soll der Wein raus aus dem Bottich in die Fässer, im Keller, gepumpt werden können. Naja und damit die Ria das jetzt nicht immer selbst machen muss, hat sie sich da eine automatische Steuerung einbauen lassen. Da gab es einen Soll-Füllstand und bei diesem Soll-füllstand sollte die Pumpe sich immer automatisch einschalten. Um solche Steuerungen zu realisieren, gibt es Schwimmschalter. Das Schaltsymbol von so einem Schwimm- schalter, das sieht ungefähr so aus. Wenn dieser Schalter aufschwimmt, dann hat er beispielsweise einen geschlossenen Kontakt. Das wär jetzt bei diesem Schalter hier der Fall. Dann könnte er also über eine Steuerung, diese Pumpe hier einschalten. Die erste Steuerung, die jetzt bei Ria im Keller zu finden war, die will ich jetzt mal zusammen mit Euch analysieren. Wir haben hier diesen Schwimmschalter in Reihe geschaltet mit einem Schütz Q1. Das Schütz Q1 hat hier in einem zweiten Strompfad nochmal einen Schließer. Und dieser Schließer schaltet hier unten dann den Motor von meiner Pumpe ein. Also wenn dieser Schalter betätigt wird, würde diese Pumpe jetzt hier den Wein ins Fass pumpen, einverstanden? Ok, dann können wir uns das Ganze ja mal angucken. In einer Grafik, die ich schon vorbereitet habe. Diese Grafik, die soll nachher zeigen: den Füllstand, also x wäre jetzt hier der Füllstand. Den Füllstand dieses Bottichs aufgetragen über die Zeit. Dann habe ich hier und noch eine zweite Grafik y. Und y wäre jetzt der Schalt- zustand der Pumpe oder des Pumpenmotors. Wenn das Ganze „1“ ist bei y, dann ist also der Pumpenmotor eingeschaltet. Und bei „0“ wäre er ausgeschaltet. Hier den Soll- füllstand von der linken Seite vom Bottich, habe ich eins zu eins einmal rechts hier in mein Diagramm schon übertragen. Und da schreiben wir jetzt auch schon mal dran, das ist x_soll der gewünschte Füllstand. Jetzt stellt Euch vor die Ria würde ihre leckeren Trauben in die Kelter geben und dann die Kelter einschalten. Hier läuft dann der Traubensaft in den Bottich. Was würde passieren? Der Füllstand würde immer und immer weiter steigen. Habe ich in der Kurve hier auch schon mal vorbereitet. Und der Füllstand ist jetzt hier schon gestiegen bis zu dem Punkt, wo x_soll erreicht ist. Jetzt denkt mal nach. Was würde an der Stelle passieren, deiner Meinung nach. Die Pumpe, die könnte das locker. Die pumpt also mehr weg als aus dem Rohr vom Kelter heraus läuft. Die Pumpe hat eine Leistung, die stark genug ist. Also was würde jetzt passieren? Ja, also ich löse auf. Die Pumpe würde an dieser Stelle einschalten. Das kann ich eigentlich unten in dem Diagramm auch mal zeigen. Also an dieser Stelle habe ich jetzt einen Strich bis nach unten. Und die Pumpe wäre bis dahin aus gewesen und dann würde sie hier einschalten. Wichtig zu wissen und da zoomen wir jetzt mal ein bisschen ran… Hier geht die Kurve so ein kleines bisschen weiter nach oben. Obwohl eigentlich ist die Pumpe eingeschaltet. Das heißt der Füllstand müsste doch sinken. Das ist so eine kleine Verzögerungszeit. Also bis die Pumpe jetzt tatsächlich hier mal angefangen hat anzusaugen, erstmal saugt die vielleicht so ein bisschen Luft und dann muss sie erstmal in die Gänge kommen. Und so weiter. Also diese Zeit, die dann überschritten wird, das wäre die Zeit bisher oben. Aber irgendwann, wahrscheinlich hast Du das auch schon so erwartet, wird der Füllstand auch wieder anfangen zu sinken. Und jetzt sind wir ja hier kurz vor dem Füllstand x_soll. An der Stelle mal wieder die Frage an Dich. Was würde hier passieren, wenn der Füllstand x_soll jetzt wieder unterschritten werden würden? Ja ich löse auf. An dieser Stelle würde die Pumpe natürlich auch wieder ausschalten. Auch hier geht der Füllstand jetzt erst mal ein kleines bisschen weiter runter unter den Füllstand x_soll. Hängt auch wieder mit so einer gewissen Trägheit zusammen. Bis das mit dem Ausschalten sich dann irgendwann bemerkbar macht. Und im System man das dann beobachten kann. Was passiert dann? Ja, richtig. Dann würde der Füllstand natürlich wieder anfangen zu steigen. Jetzt sind wir an der Stelle, wo wir hier eigentlich schon mal waren. Und an der Stelle schaltet die Pumpe natürlich wieder ein, ganz klar. Und wir haben diese Abfolge eigentlich laufend. Also wenn man sich das also jetzt in dem Diagramm mit dem Schaltzustand hier anguckt. Dann ist die Pumpe die ganze Zeit am ein und… oder das Schütz der Pumpe schaltet die Pumpe die ganze Zeit ein und aus. Jetzt könnt Ihr Euch vielleicht schon denken, warum es bei so einer Steuerung dann nicht so ganz funktioniert hat. Beziehungsweise, warum es dann keinen Wein gab. Ja, richtig. Irgendwann klingelte bei einem Elektriker, in diesem Fall bei mir, das Telefon und die Ria sagte: „Du, meine Pumpe läuft nicht mehr. Du bist doch Elektriker, kannst Du mir da vielleicht helfen?“ Was war das Problem? Für diese vielen Ein- und Ausschaltvorgänge war das Schütz hier an der Stelle nicht gedacht. Und es ist natürlich an irgendwann ab- geraucht und so hat die automatische Funktion nicht mehr funktioniert. So, wie können wir das Ganze jetzt verhindern? Wie können wir das Ganze jetzt besser machen? Ohne dass die Ria jedes mal die Pumpe ein und ausschalten muss. Und es dann möglicherweise vielleicht sogar mal vergisst, dann läuft das Ganze über. Oder sie vergisst sie auszuschalten. Dann läuft sie trocken, dann ist sie auch kaputt. Gibt es auch keinen Wein. Alles blöd. Wir wollen also eine automatische Steuerung haben. Das heißt ich blende das mal wieder aus hier. Jetzt kommt die neue Steuerung. Und die neue Steuerung die sieht so aus. Da habe ich nicht einen sondern zwei Schwimmschalter. Diese zwei Schwimmschalter sind und in unterschiedlichen Einbauhöhen eingebaut. Nämlich da und da. Und diese unterschiedlichen Niveaus, die blende ich jetzt auch mal hier ein. Die habe ich auch für meinen Füllstand im Diagramm. Da kann ich sie wieder eins zu eins übertragen. Ich nenne diese Füllstände mal x_1 und x_2. Wenn jetzt die Ria ihre Kelter anmacht und der Füllstand steigt und steigt und steigt, dann komme ich ja zunächst an diese Grenze hier. Also die Grenze x_1. Und dann würde B_1 geschlossen werden. Gucken wir mal unten im Diagramm was passiert, wenn B_1 geschlossen wird. Ja, da passiert erstmal gar nichts. Denn nichts weiter jedenfalls. Also Q_1 wird nicht anziehen, das heißt die Pumpe wird nicht laufen. Wir gehen weiter und der Füllstand steigt jetzt bis zu x_soll. Würde an der Stelle was passieren? Bezogen auf die Schaltung hier? Natürlich nicht. Das ist nur der Soll-füllstand und bemerkenswert an der Schaltung ist jetzt, dass beim Soll-füllstand überhaupt kein Schwimmschalter mehr montiert ist. Sondern der eine ist ein bisschen weiter unten und der andere ist ein bisschen weiter oben. Jetzt steigt der Füllstand weiter. Und was passiert jetzt hier, wenn wir den Füllstand x_2 erreichen? Bei x_2 schließt sich jetzt zusätzlich der Schwimmschalter B_2. Wichtig zu wissen der Schwimmschalter B_1 ist noch geschlossen. B_2 schließt jetzt. Das heißt Q_1 kann anziehen. Und hier oben würde Q_1 auch in Selbsthaltung gehen. Über den Schließer in diesem Pfad hier, würde die Pumpe jetzt eingeschaltet werden. Und jetzt haben wir genau das Gleiche wie vor hin. Wenn die Pumpe eingeschaltet wird, dann steigt der Füllstand zunächst noch so ein kleines bisschen weiter auf Grund der Trägheit. Und auf Grund der Pumpe, die auch erstmal dann ein bisschen Luft ansaugt. Das muss erst mal alles wirken. Was wir da gemacht haben an Schlatungsmaßnahmen. Und erst dann sinkt der Füllstand. Jetzt sind wir soweit im Diagramm hier schon, dass wir bis x_2 gesunken sind. Und jetzt die Frage an Dich. Was würde passieren? Schaltet die Anlage jetzt wieder aus, wenn der Füllstand x_2 unterschritten wird? Immerhin, der Schwimmschalter B_2 würde hier wieder öffnen. Aber wir haben Glück. Es hat einer mitgedacht. Und Q_1 hier ist immer noch geschlossen. Ist also immer noch in Selbsthaltung. Das heißt an dieser Stelle würde die Pumpe nicht ausschalten, so dass der Füllstand weiter sinkt. Frage an dich, bei x_soll würde da jetzt was passieren? Nein! Gut mitgedacht, es passiert nichts. Genau wie vorher. Denn da ist ja kein Schalter und hier kann also nichts passieren. Es geht weiter und jetzt habe ich das Gleiche schon mal unten hier für eine längere Spanne ergänzt. An dieser Stelle hier würde die Pumpe jetzt wieder ausschalten. Und bis das zum Tragen kommt und der Füllstand dann wieder steigen kann, vergeht hier auch wieder so ein kleines bisschen Zeit. Im Endeffekt haben wir jetzt schon wieder alles einmal angeguckt. Und die Kurve, die dabei rauskommt, die sieht so ähnlich aus wie die Kurve vorher. Nur mit vielen größeren Zacken. Und was bedeutet das jetzt für die Kurve unten? Die sieht natürlich auch viel schöner aus. Ich mache hier nochmal so ein paar Verbindungslinien hin, damit man das auch zuordnen kann. An dieser Stelle wird hier immer eingeschaltet und in dieser Stelle wird hier immer ausgeschaltet. Wie man sieht sind hier viel weniger Schaltvorgänge. Noch mal zum Vergleich die Kurve von vorher. Da hat es so ausgeschaltet. Und jetzt, je nachdem wie weit diese Schalter auseinander sind und wie groß die Hysterese ist, sind hier viel weniger Schaltvorgänge. Um das noch mal gerade kurz so ein bisschen zu verdeutlichen habe ich hier auch noch ein paar Symbole. Du kannst ja mal mit raten, wo welches Symbol nachher in den Kurven auch auftauchen würde. Also ich hab hier erstmal einen sinkenden Füllstand. Und einen sinkenden Füllstand, der die Ebene B_2 durchschreitet. Und dann habe ich einen steigenden Füllstand, der die Ebene B_1 durchschneidet. Und einen steigenden Füllstand, der die Ebene B_2 durchschneidet. Wo müsste ich jetzt dieses, fangen wir mal oben links an, dieses Symbol hier mit dem roten Viereck, wo müsste ich jetzt dieses symbol hier wiederfinden? Ganz kurz mal drüber nachdenken. Ja, so ist das sehr einfach zu verstehen, weil es sie auf einer Ebene liegt. Und hier müsste dann das rote Kästchen sein. So, natürlich an jede einzelnen Stelle, wo der Füllstand hier von unten nach oben, das ist wichtig (von oben nach unten werden wir gleich sehen) aber der Füllstand von unten nach oben, die Ebene x_2 durchschreitet. Also B_2 betätigt wird. Da habe ich überall so ein rotes Kästchen. An dieser Stelle habe ich überall so ein graues Kästchen. An dieser Stelle hier unten, da habe ich überall so ein blaues Kästchen. Also bei den blauen Kästchen, da durchschreitet der Füllstand die Ebene x_1 von oben nach unten. Von oben nach unten. Bei den grauen Kästchen, da seht Ihr, da ist überall kein Strich dran, der irgendwie nach unten geht. Das heißt es passiert auch keine Schaltung. So und jetzt müssen wir uns noch ganz kurz über ein weiteres Diagramm unterhalten. Das erste Diagramm hier oben hat ja jetzt x über t angezeigt. Und in dem anderen Diagramme hatte ich y über t aufgetragen. Ein wichtiges Diagramm für diese Zweipunkt-regelungen ist aber auch das Diagramm was y über y aufzeigt. Und da kann ich von diesem Diagramm y über t einen Strich hier schon mal als Orientierung übernehmen. Dann habe ich auch wieder oben den Schalszustand 1 und unten den Schaltzustand 0. Und was brauche ich jetzt noch? Auf der anderen Achse brauche ich hier, wie gesagt x. Bei x habe ich ja hier diese Zustände x_1_soll und x_2. Auch diese Linien, die kann ich jetzt einfach mal hier so in meinem Diagramm einblenden. Wir haben also hier x_1 und x_2 auf dieser Achse. Wie würde jetzt das Diagramm aussehen, was hier drin liegen muss? Wir gucken mal uns den Vorgang wieder von vorne an. Der Füllstand steigt und der Schalt- zustand ist die Ganze Zeit 0. Also ich will jetzt diese Linie von hier nach da, beziehungsweise von hier bis zu dem roten Kästchen auftragen. Die kommt von hier unten geht in diese Richtung und dann hier so hoch. An dieser Ecke hier unten, da müsste ich wieder eins von den Symbolen hier einzeichnen können. Wer von Euch weiß denn, welches das sein könnte? Wir gehen mal nach dem Ausschlussverfahren. Ein Kreis kann es eigentlich nicht sein, denn an der Stelle hat sich der Schaltzustand ja geändert. Also kommt nur noch das rote Viereck oder das blaue Viereck in Frage. Das rote Viereck, beim roten Viereck ändert sich der Schaltzustand von 0 nach 1. Also ist es das Blaue nicht, sondern das Rote. Wir tun das Rote hier rein. Wenn wir von hier nach hier diesen weg marschieren, dann wäre das genau das Gleiche, als wären wir von hier unten bis nach hier einmal gewandert. Also wir gehen von hier nach hier. Und das entspricht genau diesem Weg. Das hier, das dauert zeitlich quasi idealerweise 0 Sekunden. Es ist nur diese Strecke hier, die diese Strecke hier abbildet. Darüber; wie schnell das Ganze jetzt geht, kann man hier in so einem Diagramm überhaupt nichts mehr sagen. Was passiert jetzt an dieser Stelle hier oben? Die Stelle hier oben, da wäre ich doch wieder… wäre ich doch hier. Und dann würde der Füllstand noch leicht steigen. Deshalb hat die nächste Kurve hier auch wieder so einen kleinen Ausleger und geht dann runter bis zu einem blauen Viereck. Dann habe ich genau, wenn ich von da nach da gehe, habe ich genau diese Strecke hier. Von der Spitze bis zum blauen Viereck. Von der Spitze bis zum blauen Viereck. Diese kurze Strecke von hier nach da, ist genau die Strecke von dem roten Viereck bis zu der Spitze hier oben. Ja, und dann der Stelle des blauen Vierecks geht es dann wieder runter. Hier würden würde es dann auch wieder so ein kleines bisschen nach links ausschwenken und dann wieder beginnen zu steigen. Der Füllstand steigt und steigt und steigt. Es wird eingeschaltet, der Füllstand steigt noch ein kleines bisschen. Und beginnt dann wieder zu sinken. Ab einer bestimmten Stelle, nämlich genau wenn die Ebene x_1 wieder durchschritten wird, schaltet die Pumpe wieder aus. Der Füllstand sinkt noch ein kleines bisschen weiter. Beginnt dann wieder zu steigen. Das sind so die Schleifen, die von so einer Hysterese- regelung hier immer durchwandert werden. Diese Schleife hier, also die so genannte Hystereseschleife, die ist für eine Hystereseregelung oder Zweipunkt- regelung so wichtig, dass sie auch gleichzeitig zum Schaltsymbol von so einer Regelung geworden ist. Also wenn ich irgendwo ein Schaltsymbol finde, das so aussieht. Dann hat das immer was mit einer Hystereseregelung zu tun. Wo genau ist in diesem Bild denn jetzt eigentlich die Hysterese? Ich zeig es mal hier im Zeitdiagramm. Die Hysterese nennt man die Breite von x_1 nach X_2, die Schalthysterese. Und von der Spitze bis zur Spitze, das nennt man Schwankungsbreite. Die Regelung heißt eben Hystereseregelung, weil sie mit dieser Hysterese regelt. Also klar. Zweipunkt-regelung, der Name kommt daher, dass ich zwei Punkte habe, nämlich einmal hier in rot und einmal hier in blau. Also ich habe einen Punkt, an dem ich einschalte und einen Punkt, an dem ich ausschalte. Macht unterm Strich zwei Punkte. Jetzt habe ich zur Vollständigkeit hier nochmal einmal kurz eine Legende für Euch, damit das Bild so wie es hier ist, auch Sinn ergibt. Also das rote Viereck ist die Grenze von x_2 und die wird von unten nach oben, das ist wichtig, durchschritten. Also hier so eine Stufe, steigende Flanke kann man auch sagen. Und dann habe ich das blaue Viereck, da wird die Grenze x_1 von oben nach unten durchschritten. Bei den Kreisen, bei den grauen, da wird eine Grenze durchschritten, aber es wird nicht geschaltet. So, jetzt weißt Du, wie eine automatische Pumpe für Weint funktioniert. Natürlich kannst Du die Pumpe wie gesagt, auch für Traubensaft anwenden. Oder für Apfelsaft oder für Wasser. Für jegliche Flüssigkeit, auch zum Beispiel für Abwasser. Du hast also, herzlichen Glückwunsch, deine Zeit nicht verschwendet. Du hast was ganz Nützliches gelernt. Das kannst Du nicht nur in deiner Prüfung, sondern auch im wahren Leben gebrauchen. Wenn Du das Ganze vertiefen willst, zum Bsp. bei Temperatur-regelungen, da hat man oft auch eine Zweipunkt-regelung. Dann kannst Du dich einlesen, da empfehle ich Dir mal ein Buch. Das findest Du unten als Link in der Infobox. Ich kann Euch beruhigen, das haben wir bei der Ria damals auch hingekriegt. Natürlich gab es auch im Jahre 2011 wieder den leckeren Wein von der Mosel. Und ich glaube davon trinke ich jetzt mal ein Schlückchen. Ihr könnt in der Zeit einmal ein bisschen.. ja, was selbst tun. Denn ich sage ja immer: Sportschau gucken gibt keine Muskeln. Und so schön wie das hier alles sich vielleicht jetzt für dich angehört haben mag. Und Du denkst vielleicht, ja oh das habe ich alles verstanden. Aber damit es in den Kopf geht, musst Du selber was machen. Da habe ich Dir wieder Arbeitsblätter vorbereitet. Die findest Du zum Download auf „www.sprich-über-Technik.de“ das Ganze ist kostenlos. Wenn Dir das Ganze gefallen und geholfen hat, dann freue ich mich jetzt über einen Daumen hoch. Und falls den Kanal noch nicht abonniert hast, dann jetzt aber schnell hier bei Youtube. Denn dann kannst Du nichts mehr verpassen! Also, Tschüss zusammen!