Zustandsrückmeldungen

Zustandsrückmeldungen sind ein Konzept der Regelungstechnik, bei dem interne Zustandsvariablen eines dynamischen Systems in die Stellgröße eingespeist werden, um das Systemverhalten gezielt zu beeinflussen. In der Zustandsraumdarstellung ẋ = Ax + Bu, y = Cx + Du, lässt sich ein Regler oft in Form u = −Kx + r realisieren, wobei K die Zustandsrückmelde-Gewichte sind.

Ziele sind Stabilisierung, genaue Regulation von Referenzsignalen, Störungsreduktion sowie Pole-Platzierung und im Optimalfall Minimierung einer Kostenfunktion (z. B. LQR). Die Methode eignet sich besonders, wenn der Zustand x vollständige Information über das System liefert, die Reglerwirkung direkt auf die Mechanik wirkt.

Um Zustandsrückmeldungen umzusetzen, müssen alle Zustände gemessen oder geschätzt werden. Häufig wird der Zustand durch einen Beobachter (z. B. Luenberger-Beobachter oder Kalman-Filter) aus Ausgangsmaßen y geschätzt und der Regler verwendet u = −K x̂ + r.

Designmethoden umfassen Ortung der Pole des geschlossenen Regelkreises (Pole-Placement), lineares quadratisches Regulierung (LQR) sowie robuste Methoden. Es können auch dynamische Zustandsregler mit integrierter Aktion eingesetzt werden, oder Kombinationen mit anderen Regelungsformen.

Anwendungen finden sich in Robotik, Flugregelung, Antriebstechnik und Prozessindustrien. Vorteile sind gute Streuungs- und Störungsresistenz bei korrekter Modellierung. Grenzen ergeben sich durch Modellfehler, Messrauschen, Nichtlinearitäten, Sättigung und begrenzte Aktuatoren. Eine enge Kopplung mit Schätzern ist oft notwendig.