Geschichte der Regelungstechnik

Die grundlegenden Analogien zwischen Regelungsvorgängen in der belebten Natur und in technischen Systemen wurden seit den 1940er Jahren näher beschrieben. In Deutschland erfolgte dies durch die „Allgemeine Regelungskunde“ von Hermann Schmidt, der 1944 auf den ersten Lehrstuhl für Regelungstechnik an der TH Berlin-Charlottenburg berufen wurde. In den USA war es Norbert Wiener, der sich während des Zweiten Weltkrieges mit Regelungen für militärische Anwendungen befasste. Beide untersuchten den Rückkoppelungsmechanismus in technischen und biologischen Systemen. Norbert Wiener wurde 1947 zum Schöpfer des allgemein bekannten Begriffs Kybernetik für die Wissenschaft der Steuerung und Regelung von Maschinen und deren Analogie zur Handlungsweise von lebenden Organismen (aufgrund der Rückkopplung durch Sinnesorgane) und sozialen Organisationen (aufgrund der Rückkopplung durch Kommunikation und Beobachtung). Hermann Schmidt benutzte später ebenfalls den Begriff Kybernetik.

Fliehkraftregler zur Regelung der Drehzahl einer Dampfmaschine (nicht dargestellt)
rechts: Stellglied (Drosselklappe in der Dampfzuleitung)
links: Messglied und Regler als Einheit (Fliehkraftpendel auf einer Drehzahl-Messwelle)
Mitte: Gegenkopplung (waagerechter Hebel und senkrechte Stange), kleinere Drehzahl vergrößert die Drosselöffnung
Sollwert-Veränderung durch Längenänderung der senkrechten Stange zur Drosselklappe

Das Prinzip der Regelung durch Rückkopplung wurde schon von Mechanikern in der Antike angewendet. Nachgewiesen sind Einrichtungen zur Regelung von Flüssigkeits-Niveaus, die Ktesibios aus Alexandria und sein Schüler Philon von Byzanz erfanden. Ktesibios regelte den Wasserstand in einem Behälter, aus dem eine Einlaufwasseruhr mit Wasser versorgt wurde.[1] Der Wasserzufluss von konstanter Höhe herab ist gleichmäßig und erhöht die Genauigkeit der Uhr. Von Phylon ist eine Öllampe bekannt geworden, in der das Öl automatisch auf gleichem Niveau gehalten wurde. Das konstante Ölniveau verbesserte den gleichmäßigen Brand der Flamme. Der Aufwand war aber klein, obwohl es sich um eine vollwertige Regelung handelte.

Danach wurde das Prinzip der Regelung erst wieder in der Neuzeit aufgegriffen. Im 17. Jahrhundert entstand die erste Temperaturregelung, die der Niederländer Cornelis Jacobszoon Drebbel in einem Brutkasten für Hühnereier entwarf.[2] 1681 erfand der Franzose Denis Papin eine einfache Druckregelung für einen Dampfkochtopf durch Einbau eines Überdruckventils.

Der erste in Serie hergestellte Regler war der Fliehkraftregler, dessen Erfindung James Watt fälschlicherweise zugeschrieben wird (siehe Abbildung). Der Fliehkraftregler wurde vorher schon an Windmühlen verwendet. Watt hat die 1769 von Thomas Newcomen erfundene Dampfmaschine im Jahr 1786 mit einem solchen Regler ausgerüstet.[3]

Für die aufkommende Dampfmaschinentechnik kam die aus der Antike bekannte Wasserstandsregelung mit Schwimmer durch den Russen Ivan Polzunov zur Anwendung. Der Schwimmer beeinflusste über ein Gestänge das Wasser-Einlassventil des Dampfkessels.

Der Radsatz eines Schienenfahrzeugs ist so konstruiert, dass er aufgrund der konischen Laufflächen der Räder selbsttätig in die Gleismitte zurücklenkt. Falls der Radsatz, z. B. durch seitliche Windkräfte oder ungerade verlegtem Gleis, aus der Gleismitte verschoben wird, erhöht sich der Rollradius auf der einen Seite und verringert sich auf der anderen Seite. Aufgrund der starren Koppelung der beiden Räder lenkt der Radsatz daher mit einem gedämpften Sinuslauf in die Gleismitte zurück. Entgegen landläufiger Meinung ist der Spurkranz nicht für die Spurhaltung erforderlich. Bei ungenügender Auslegung des mechanisch rückgekoppelten Systems neigt der Radsatz bei hohen Geschwindigkeiten zu instabilen Schwingungen.

Die Einspritzpumpe eines Dieselmotors enthält einen Regler um die Menge des pro Umdrehung zugeführten Kraftstoffs so zu dosieren, dass die Drehzahl des Motors entsprechend der Stellung des Gaspedals konstant bleibt. Ohne diese Regelung würde er zur Instabilität und Selbstzerstörung neigen, da mit höherer Drehzahl immer mehr Kraftstoff zugeführt würde.

Die Technik der selbsttätigen Regelung blieb lange Zeit auf die Anwendung in Kraftmaschinen beschränkt. Eine erste Ausweitung erstreckte sich auf die Regelung von Größen in verfahrenstechnischen Prozessen, vor allem von Temperaturen, Drücken und Massenströmen. Nach dem Zweiten Weltkrieg entstanden die vereinheitlichten, vielfach einstellbaren elektrischen, hydraulischen und pneumatischen PID-Regler.

In der jüngsten Vergangenheit hat sich die Anwendung der Regelungstechnik auf alle Gebiete der Technik ausgedehnt. Anstöße gaben die Ausweitung der Automatisierung, zum Beispiel mit Hilfe von Robotern, und die neue Weltraumtechnik. Die Regelungstechnik ist inzwischen eine Symbiose mit der Informationstechnik (sowohl Hard- als auch Software) eingegangen. Die Verkehrsregelung zur Vermeidung von Staus ist ein Beispiel für ein sehr komplexes System, wenn die Grünphasen der Kreuzungen entsprechend dem tatsächlichen Verkehrsaufkommen als Grüne Welle so aufeinander abgestimmt werden, dass sich ein möglichst konstanter Verkehrsfluss ergibt.

1. Wasseruhr des Ktesibios (Rekonstruktion)
2. Bernhard J. Dotzler: Papiermaschinen. Versuch über Communication & Control in Literatur und Technik. Akad.-Verl, Berlin 1996, ISBN 3-05-002913-7, S. 203–218.
3. Werner Kriesel, Hans Rohr, Andreas Koch: Geschichte und Zukunft der Mess- und Automatisierungstechnik. VDI-Verlag, Düsseldorf 1995, ISBN 3-18-150047-X, S. 5 bis 6.