Steueralgorithmen

Steueralgorithmen sind Verfahren, die das Verhalten dynamischer Systeme durch gezieltes Beeinflussen der Stellgröße steuern. In der Regelungstechnik dienen sie der Erreichung von Sollwerten, Stabilität und Robustheit gegenüber Störungen. Typische Unterscheidungen erfolgen zwischen Open-Loop-Steuerung ohne Rückkopplung und Closed-Loop-Steuerung mit Rückmeldung von Istwerten; letztere wird oft als Regelung im engeren Sinn bezeichnet.

Zu den bekanntesten Steueralgorithmen gehören der PID-Regler (Proportional-Integral-Derivat), der in vielen Anwendungsgebieten verbreitet ist; adaptive Steuerung, die Parameter während des Betriebs anpasst; robuste Regelung, die Leistung trotz Modellunsicherheit sicherstellt; modellprädiktive Regelung (MPC), die Optimierungen über einen Vorhersagehorizont durchführt; Zustandsregler wie LQR; H-Infinity-Methoden und Sliding-Mode-Control. Die Implementierung kann kontinuierlich oder diskret erfolgen; digitale Systeme verwenden häufig Abtastung und diskrete Zeitmodelle.

Der Designprozess umfasst die Modellbildung der Regelgröße, Stellgröße und Einflussgrößen, die Wahl des Algorithmus, Parameterisierung und Stabilitäts- bzw. Leistungsnachweise, Simulation, Implementierung und sorgfältiges Tuning. Typische Ziele sind Stabilität, schnelle Reaktion, geringes Überschwingen, Störungsrobustheit und effiziente Stellgrößenführung.

Anwendungsgebiete und Herausforderungen umfassen Industrieprozesse, Robotik, Antriebe, Automatisierung und Luft- sowie Raumfahrt. Herausforderungen ergeben sich aus Nichtlinearität, Verzögerungen, Modellunsicherheit und begrenzten Rechenressourcen; Sicherheits- und Normanforderungen beeinflussen Design, Validierung und Betrieb von Steueralgorithmen.