NWT9 - Das Prinzip der Steuerung
NWT9 - Das Prinzip der Steuerung
NWT9 - Das Prinzip der Steuerung
Einleitung
Eine automatische Tür öffnet sich, eine Ampel schaltet von Rot über Rot-Gelb auf Grün, ein Roboterarm fährt nacheinander festgelegte Positionen an: In all diesen Beispielen werden technische Abläufe gesteuert. Eine Steuerung sorgt dafür, dass ein technisches System aufgrund eines Programms, einer logischen Bedingung, einer Zeitvorgabe oder eines Sensorsignals bestimmte Aktionen ausführt.
Für die Jahrgangsstufe 9 ist besonders wichtig: Eine Steuerung arbeitet nach einer festgelegten Wirkungs- oder Ablauflogik. Dabei können durchaus Sensoren vorkommen. Eine Rückmeldung aus dem Prozess bedeutet deshalb noch nicht automatisch, dass eine Regelung vorliegt. Bei einer Regelung wird eine zu regelnde Größe erfasst, mit einem Sollwert verglichen und aufgrund der Abweichung gezielt nachgeführt.
Das Schema zeigt den gerichteten Informationsfluss einer Steuerung. Bei einer einfachen offenen Steuerung beeinflusst die Steuereinrichtung den Prozess, ohne aus dem erreichten Ergebnis eine kontinuierliche Korrektur abzuleiten.
Das Video eignet sich als Einstieg in die Unterscheidung von Messen, Steuern und Regeln.
Lernziele und Differenzierung G/M/E
| Niveau | Du kannst ... | Typische Denkaufgabe |
|---|---|---|
| G – Grundniveau | einfache Steuerketten erkennen, Sensoren und Aktoren benennen und einen vorgegebenen Ablauf beschreiben. | Erkläre, warum eine zeitgesteuerte Ampel auch ohne Verkehrserfassung ihren Ablauf ausführt. |
| M – Mittleres Niveau | eigene Ablaufpläne entwickeln, Bedingungen formulieren und zeit- sowie ereignisabhängige Steuerungen vergleichen. | Plane eine Fußgängerampel, die erst nach einem Tastendruck in einen Freigabeablauf wechselt. |
| E – Erweitertes Niveau | Rückmeldungen in Ablaufsteuerungen von einem echten Soll-Ist-Vergleich unterscheiden und die Reaktion auf Störungen beurteilen. | Entscheide, ob ein Linienfolger als Steuerung oder Regelung arbeitet, und begründe Deine Entscheidung anhand der Informationsverarbeitung. |
Grundidee der Steuerung
Eine Steuerung beeinflusst einen technischen Prozess so, dass ein gewünschter Ablauf entsteht. Typische Bausteine sind eine Eingabe, eine Steuereinrichtung, Aktoren und die eigentliche Steuerstrecke.
Eine einfache Darstellung lautet:
Eingabe → Steuereinrichtung → Aktor → Steuerstrecke → Ergebnis
Die Eingabe kann beispielsweise ein Starttaster, eine Uhrzeit, ein Lichtsignal oder ein Sensorsignal sein. Die Steuereinrichtung verarbeitet diese Information nach festgelegten Regeln. Ein Mikrocontroller oder eine SPS kann diese Aufgabe übernehmen. Der Aktor setzt das Steuersignal in eine physikalische Wirkung um, etwa Licht, Bewegung, Wärme oder eine Ventilstellung.
Ein Arduino ist ein typisches Unterrichtsbeispiel für eine programmierbare Steuereinrichtung. An seinen Eingängen können Taster oder Sensoren angeschlossen werden, an den Ausgängen beispielsweise LEDs, Motoren oder Relais.
Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe
Das EVA-Prinzip hilft beim Analysieren einfacher Steuerungen.
| Bereich | Frage | Beispiel Ampelmodell |
|---|---|---|
| Eingabe | Welche Information startet oder beeinflusst den Ablauf? | Startsignal, Taster oder Zeitgeber |
| Verarbeitung | Nach welcher Logik wird entschieden? | gespeicherte Reihenfolge mit Bedingungen und Wartezeiten |
| Ausgabe | Welche Wirkung wird ausgelöst? | rote, gelbe oder grüne LED wird geschaltet |
Bei komplexeren Systemen kommt die Steuerstrecke hinzu. Sie bezeichnet den technischen Prozess, auf den die Steuereinrichtung wirkt.
Zeitabhängige und ereignisabhängige Abläufe
Bei einer zeitabhängigen Steuerung wird der nächste Schritt nach einer festgelegten Zeit ausgeführt. Eine einfache Schul-Ampel kann beispielsweise mehrere Sekunden Grün anzeigen und danach zur Gelbphase wechseln.
Bei einer ereignisabhängigen Steuerung wird der nächste Schritt erst dann ausgelöst, wenn ein bestimmtes Ereignis erkannt wurde. Ein Endschalter kann zum Beispiel melden, dass ein Roboterarm eine Position erreicht hat. Erst dann beginnt der nächste Programmschritt.
Eine Ablaufsteuerung kann deshalb Sensor-Rückmeldungen enthalten. Diese Rückmeldungen bestätigen häufig Zustände wie Position erreicht, Behälter voll oder Taster gedrückt. Das ist etwas anderes als die fortlaufende Korrektur einer Regelgröße in einem Regelkreis.
Ampel als Modell einer Ablaufsteuerung
Eine Ampel eignet sich besonders gut, um feste Zustände und Übergänge zu untersuchen.
Für ein vereinfachtes deutsches Fahrzeugampelmodell kann der Zyklus so beschrieben werden:
| Zustand | Leuchten | Übergang |
|---|---|---|
| Rot | Rot | nach Zeitvorgabe |
| Rot-Gelb | Rot und Gelb | nach kurzer Zeitvorgabe |
| Grün | Grün | nach Zeitvorgabe |
| Gelb | Gelb | nach kurzer Zeitvorgabe |
| zurück zu Rot | Rot | neuer Zyklus beginnt |
Die konkreten Zeiten eines realen Verkehrssystems werden von Fachleuten geplant. Im Unterricht werden bewusst vereinfachte Modellzeiten verwendet.
Das Bild zeigt ein mögliches Schaltungskonzept für eine Ampelsteuerung. Entscheidend ist nicht nur die elektrische Verschaltung, sondern vor allem die Reihenfolge der Zustände.
Im Video wird gezeigt, wie ein Arduino eine einfache Ampelfolge ansteuern kann.
Interaktive Simulation: einfache Zeitsteuerung
In der folgenden Simulation kannst Du eine Ampelsteuerung im Browser untersuchen. Beobachte zuerst nur die Ausgänge. Öffne anschließend den Programmcode und suche die Befehle, die die Reihenfolge und die Wartezeiten festlegen.
G-Auftrag: Notiere die Reihenfolge der Ampelzustände.
M-Auftrag: Verändere gedanklich eine Wartezeit und prognostiziere die sichtbare Wirkung.
E-Auftrag: Erkläre, warum eine Störung im Straßenverkehr bei einer reinen Zeitsteuerung nicht automatisch zu einer Anpassung der Phasen führt.
Interaktive Simulation: Ampel mit Anforderungstaster
Ein Taster kann eine zusätzliche Eingabe liefern. Dadurch wird der Ablauf ereignisabhängig.
Untersuche, welche Schritte weiterhin fest programmiert sind und an welcher Stelle das Ereignis Taster gedrückt den Ablauf beeinflusst.
Eine solche Rückmeldung oder Anforderung macht die Schaltung nicht automatisch zu einer Regelung: Es wird nicht fortlaufend eine Regelgröße mit einem Sollwert verglichen.
Ablaufdiagramme und Zustände
Technische Abläufe lassen sich mit Ablaufdiagrammen oder Zustandsmodellen darstellen. Ein typischer Ablauf enthält:
Start → Eingabe prüfen → Bedingung auswerten → Aktion ausführen → nächsten Zustand wählen
Entscheidungen werden häufig als Ja-Nein-Bedingungen formuliert. Bei einem Ampelmodell könnte eine Bedingung lauten: Ist der Fußgängertaster gedrückt?
Bei einer Maschine könnte die Bedingung lauten: Hat der Endschalter die Zielposition gemeldet?
Zustandsautomat als Denkmodell
Eine Steuerung kann als Folge klar definierter Zustände betrachtet werden. Zu jedem Zustand gehört, welche Ausgänge aktiv sind und unter welcher Bedingung der Übergang zum nächsten Zustand erfolgt.
| Zustand | Ausgang | Übergangsbedingung |
|---|---|---|
| Warten | alle Antriebe stehen | Starttaster wird gedrückt |
| Fahren | Motor läuft | Endschalter wird erreicht |
| Greifen | Greifer schließt | Greifvorgang ist beendet |
| Rückfahrt | Motor fährt zurück | Ausgangsposition wird erkannt |
Dieses Modell ist für Robotik und automatisierte Fertigung besonders wichtig.
Robotik als Steuerungsbeispiel
Roboter verbinden Sensoren, Programme und Aktoren. Ein einfacher Linienfolger erkennt mit optischen Sensoren, wo sich eine dunkle Linie befindet, und steuert daraufhin seine Motoren.
Ein mögliches diskretes Programm lautet sinngemäß:
| Sensorsituation | Steuerentscheidung |
|---|---|
| Linie mittig erkannt | beide Motoren vorwärts |
| Linie links erkannt | nach links korrigieren |
| Linie rechts erkannt | nach rechts korrigieren |
| Linie nicht erkannt | stoppen oder Suchroutine starten |
Das Ablaufdiagramm zeigt, wie Sensorsignale über Bedingungen zu Motorentscheidungen führen können.
Sensoren liefern Informationen über die Umgebung. Je nach Bauart können sie beispielsweise Helligkeit, Entfernung, Temperatur, Position oder Bewegung erfassen.
Beim Linienfolger wird besonders deutlich, dass die technische Einordnung von der Art der Informationsverarbeitung abhängt.
Interaktive Robotik-Simulation
G-Auftrag: Finde die Eingänge und Ausgänge des Programms.
M-Auftrag: Ordne jeder Sensorkombination die zugehörige Motoraktion zu.
E-Auftrag: Prüfe, ob das Programm nur diskrete Entscheidungen trifft oder eine kontinuierliche Regelabweichung berechnet.
Industrie: programmierte Bewegungsfolgen
Industrieroboter führen häufig komplexe, genau geplante Bewegungsabläufe aus. Dabei werden Positionen, Geschwindigkeiten und Sicherheitsbedingungen überwacht.
Ein typischer automatisierter Ablauf kann aus den Schritten Bauteil erkennen → Greifer positionieren → greifen → transportieren → ablegen → Ausgangsposition anfahren bestehen. Viele reale Systeme besitzen Sensoren, die bestätigen, dass ein Schritt erfolgreich abgeschlossen wurde.
Das Video zur Schrittkette zeigt auf erweitertem Niveau, wie industrielle Ablaufsteuerungen systematisch beschrieben werden können.
Mikrocontroller im Technikunterricht
Mikrocontroller ermöglichen es, Steuerungsmodelle im Unterricht praktisch umzusetzen. Du kannst Eingaben einlesen, Bedingungen programmieren und Ausgänge schalten.
Steuerung und Regelung unterscheiden
Die wichtigste Unterscheidung lautet:
Eine Steuerung folgt einer festgelegten Wirkungs- oder Ablauflogik. Eine Regelung vergleicht fortlaufend oder wiederholt den Istwert einer Regelgröße mit einem Sollwert und wirkt aufgrund der Regelabweichung korrigierend auf den Prozess ein.
Bei einer einfachen offenen Steuerung verläuft der Informationsfluss vom Soll beziehungsweise der Vorgabe über die Steuerung zum Prozess. Eine Störung am Prozess führt nicht automatisch zu einer Korrektur des Ergebnisses.
Beim Regelkreis wird die Regelgröße gemessen und zurückgeführt. Aus dem Vergleich mit dem Sollwert entsteht die Regelabweichung, aus der eine Korrektur abgeleitet wird.
Beispiel Heizung
Eine Heizung, die jeden Morgen unabhängig von der tatsächlichen Raumtemperatur für genau zwanzig Minuten eingeschaltet wird, arbeitet nach einem zeitgesteuerten Ablauf.
Ein Thermostat arbeitet dagegen als einfache Regelung: Die Raumtemperatur wird gemessen, mit dem eingestellten Sollwert verglichen und die Heizleistung wird abhängig von der Abweichung verändert.
Damit kann eine Regelung auf Störungen reagieren, zum Beispiel auf ein geöffnetes Fenster. Wie gut das gelingt, hängt von der konkreten technischen Auslegung ab.
Rückmeldung ist nicht automatisch Regelung
Diese Aussage ist für das E-Niveau besonders wichtig.
Wenn ein Roboterarm nach dem Befehl Fahre nach vorne wartet, bis ein Endschalter Zielposition erreicht meldet, liegt eine Rückmeldung vor. Der Endschalter löst aber nur den nächsten festgelegten Schritt aus.
Bei einer Regelung wird dagegen eine relevante Größe als Istwert erfasst und mit einem Sollwert verglichen. Die Differenz bestimmt die Korrektur.
Deshalb können Ablaufsteuerungen eine geschlossene Informationsstruktur mit Rückmeldungen besitzen, ohne dass sie im regelungstechnischen Sinn zu einem kontinuierlichen Regelkreis werden.
Linienfolger: Steuerung oder Regelung?
Ein Linienfolger ist ein gutes Beispiel für eine anspruchsvollere Unterscheidung.
Variante A – diskrete Steuerlogik: Zwei Sensoren liefern nur Zustände wie Linie links, Linie rechts oder Linie mittig. Das Programm wählt daraufhin festgelegte Motoraktionen aus.
Variante B – Regelung: Mehrere Sensorwerte werden zu einer seitlichen Abweichung vom gewünschten Linienzentrum verarbeitet. Diese Abweichung wird als Regelabweichung verwendet. Die Motordrehzahlen werden abhängig von Größe und Richtung der Abweichung kontinuierlich angepasst.
In Variante B ist das Prinzip eines echten Regelkreises deutlich ausgeprägt.
Störungen und Fehlerfälle
Eine Störgröße beeinflusst die Steuerstrecke, ohne Teil des geplanten Ablaufs zu sein. Beispiele sind Reibungsänderungen, ein verrutschtes Werkstück, wechselnde Beleuchtung eines Sensors oder ein Hindernis.
Bei einer offenen Steuerung kann eine Störung das Ergebnis verändern, ohne dass die Steuerung dies bemerkt.
Bei einer ereignisabhängigen Ablaufsteuerung kann ein Sensor zumindest feststellen, dass ein notwendiger Zustand noch nicht erreicht wurde.
Bei einer Regelung wird die Abweichung einer Regelgröße erfasst und zur Korrektur verwendet.
Sichere Zustände
Technische Steuerungen müssen so geplant werden, dass Fehler nicht zu gefährlichen Situationen führen. In realen Anlagen gehören dazu unter anderem Not-Aus-Funktionen, sichere Abschaltungen, Plausibilitätsprüfungen und überwachte Zustände.
Ein Schulmodell mit LEDs verdeutlicht das Prinzip gefahrlos. Reale Ampelanlagen, Maschinen und Roboter unterliegen dagegen umfangreichen technischen Sicherheitsanforderungen.
Eine Steuerung systematisch untersuchen
Nutze bei unbekannten technischen Systemen diese Leitfragen:
| Analysefrage | Bedeutung |
|---|---|
| Was ist das Ziel? | gewünschter Ablauf oder gewünschte Wirkung |
| Welche Eingaben gibt es? | Taster, Zeitwerte, Sensoren, Bedienbefehle |
| Welche Logik wird verarbeitet? | Reihenfolge, Bedingungen, Verknüpfungen |
| Welche Ausgänge gibt es? | Lampen, Motoren, Ventile, Summer |
| Welche Zustände existieren? | eindeutig beschreibbare Situationen des Systems |
| Welche Übergänge gibt es? | Bedingungen für den nächsten Zustand |
| Gibt es Rückmeldungen? | Informationen aus der Steuerstrecke |
| Gibt es einen Soll-Ist-Vergleich? | entscheidendes Merkmal einer Regelung |
| Welche Störungen sind denkbar? | ungeplante Einflüsse auf die Steuerstrecke |
Zusammenfassung
Eine technische Steuerung erzeugt durch eine festgelegte Logik einen gewünschten Ablauf. Dieser Ablauf kann zeitabhängig, logisch verknüpft oder ereignisabhängig sein. Sensoren können Zustände melden und damit Übergänge zwischen Programmschritten auslösen.
Eine einfache Ampel ist ein typisches Modell für eine zeitgesteuerte Ablaufsteuerung. Ein Taster kann den Ablauf ereignisabhängig erweitern. Roboter zeigen, wie Eingaben, Sensoren, logische Entscheidungen und Aktoren zusammenwirken.
Auf erweitertem Niveau ist entscheidend: Rückmeldung allein genügt nicht, um von einer Regelung zu sprechen. Für eine Regelung ist ein Soll-Ist-Vergleich einer Regelgröße mit daraus abgeleiteter Korrektur kennzeichnend.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was kennzeichnet eine einfache technische Steuerung? (Sie beeinflusst einen Prozess nach einer festgelegten Logik) (!Sie vergleicht immer kontinuierlich Sollwert und Istwert) (!Sie benötigt grundsätzlich keinen Aktor) (!Sie besteht ausschließlich aus Sensoren)
Welche Aussage passt zu einer einfachen zeitgesteuerten Ampel? (Die Zustände wechseln nach festgelegten Zeitvorgaben) (!Die Ampel misst ständig die Regelabweichung der Verkehrsmenge) (!Die Ampel benötigt zwingend einen Temperatursensor) (!Die Ampel arbeitet ohne festgelegte Reihenfolge)
Welche Aufgabe hat ein Sensor in einem technischen System? (Er erfasst eine physikalische Größe oder einen Zustand) (!Er wandelt jedes Signal direkt in eine Motorbewegung um) (!Er speichert ausschließlich das Steuerprogramm) (!Er ersetzt grundsätzlich die Steuereinrichtung)
Welche Aufgabe hat ein Aktor? (Er setzt ein Steuersignal in eine physikalische Wirkung um) (!Er schreibt das Steuerprogramm) (!Er vergleicht automatisch jeden Sollwert mit einem Istwert) (!Er dient ausschließlich zur Datenspeicherung)
Was geschieht bei einer offenen Steuerung typischerweise bei einer unerkannten Störung? (Das Ergebnis kann sich verändern, ohne automatisch korrigiert zu werden) (!Die Störung wird immer vollständig ausgeglichen) (!Die Steuerung wird automatisch zu einer Regelung) (!Der Aktor wird grundsätzlich ausgeschaltet)
Was ist ein typisches Merkmal einer Ablaufsteuerung? (Ein Prozess durchläuft festgelegte Zustände und Übergänge) (!Alle Ausgänge sind ständig gleichzeitig eingeschaltet) (!Es gibt keine Bedingungen zwischen einzelnen Schritten) (!Jeder Ablauf benötigt einen analogen Temperaturfühler)
Was ist das entscheidende Merkmal einer technischen Regelung? (Ein Istwert wird mit einem Sollwert verglichen und die Abweichung beeinflusst die Stellgröße) (!Ein Programm enthält mindestens drei Wartezeiten) (!Ein Taster startet einen festen Ablauf) (!Ein Motor wird von einem Mikrocontroller eingeschaltet)
Warum ist eine Sensor-Rückmeldung nicht automatisch eine Regelung? (Ein Sensorsignal kann nur den nächsten festgelegten Ablaufschritt auslösen) (!Sensoren können grundsätzlich keine Rückmeldung liefern) (!Regelungen besitzen niemals Sensoren) (!Jede Rückmeldung schaltet die Anlage sofort aus)
Wie arbeitet ein einfacher diskreter Linienfolger typischerweise? (Er ordnet Sensormustern festgelegte Motoraktionen zu) (!Er benötigt grundsätzlich keinen Sensor) (!Er misst ausschließlich die Raumtemperatur) (!Er steuert nur nach einer festen Uhrzeit)
Wann wird beim Linienfolger das Prinzip einer Regelung besonders deutlich? (Wenn eine gemessene Abweichung vom Linienzentrum die Motorkorrektur bestimmt) (!Wenn beide Motoren immer mit gleicher Geschwindigkeit laufen) (!Wenn der Roboter nur nach einer festen Zeit stoppt) (!Wenn der Starttaster einmal gedrückt wird)
Memory
| Steuereinrichtung | verarbeitet Eingaben nach festgelegter Logik |
| Sensor | erfasst einen Zustand oder eine physikalische Größe |
| Aktor | setzt ein Signal in eine physikalische Wirkung um |
| Steuerstrecke | technischer Prozess, der beeinflusst wird |
| Ablaufsteuerung | durchläuft definierte Zustände und Übergänge |
| Störgröße | ungeplanter Einfluss auf den Prozess |
| Soll-Ist-Vergleich | zentrales Prinzip einer Regelung |
| Zustandsübergang | Wechsel von einem definierten Zustand zum nächsten |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Funktion im Steuerungssystem |
|---|---|
| Startsignal | aktiviert den vorgesehenen Ablauf |
| Sensor | erfasst einen Zustand |
| Steuereinrichtung | verarbeitet Bedingungen und Programmschritte |
| Aktor | erzeugt eine technische Wirkung |
| Endschalter | meldet das Erreichen einer Position |
Kreuzworträtsel
| Steuerkette | Wie nennt man die gerichtete Folge von Signalverarbeitung und Wirkung bei einer einfachen offenen Steuerung? |
| Sensor | Welches Bauteil erfasst einen Zustand oder eine physikalische Größe? |
| Aktor | Welches Bauteil setzt ein Steuersignal in eine physikalische Wirkung um? |
| Ablauf | Wie heißt eine festgelegte Reihenfolge von Zuständen oder Handlungsschritten? |
| Regelkreis | Wie heißt die Struktur mit Rückführung und Soll-Ist-Vergleich? |
| Schrittkette | Wie heißt eine systematische Darstellung aufeinanderfolgender Schritte in einer Ablaufsteuerung? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Steuerung im Alltag: Fotografiere oder zeichne drei technische Systeme aus Deinem Alltag, die nach einem erkennbaren Ablauf arbeiten. Markiere Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe.
- Ampelablauf: Erstelle ein eigenes Ablaufdiagramm für die Zustände Rot, Rot-Gelb, Grün und Gelb.
- Sensor und Aktor: Suche an einem Schulmodell oder Alltagsgerät mindestens einen Sensor und einen Aktor und beschreibe ihre Aufgaben.
- Fehlersuche: Überlege für eine einfache zeitgesteuerte Ampel zwei mögliche Störungen und erkläre, ob das Modell diese Störungen erkennen könnte.
Standard
- Fußgängerampel: Entwickle einen Ablaufplan für eine Ampel mit Anforderungstaster. Lege fest, wann ein Tastendruck berücksichtigt werden darf.
- Robotik: Entwirf die Entscheidungslogik eines Linienfolgers mit zwei Sensoren und zwei Motoren.
- Mikrocontroller: Programmiere ein LED-Ampelmodell mit einem Arduino oder einer Simulation und dokumentiere die Zustandswechsel.
- Vergleich technischer Systeme: Vergleiche Waschmaschine, Aufzug und Thermostat. Ordne Steuerungs- und Regelungsanteile begründet zu.
Schwer
- Rückkopplung analysieren: Entwickle zwei Varianten eines Linienfolgers: einmal mit festen Sensormuster-Aktionen und einmal mit berechneter Regelabweichung. Vergleiche beide Konzepte.
- Störgrößenexperiment: Plane ein Experiment, mit dem Du zeigen kannst, dass eine offene Steuerung eine Störung nicht automatisch korrigiert.
- Zustandsautomat: Entwirf für einen Modellroboter einen Zustandsautomaten mit Warten, Fahren, Greifen, Transportieren und Ablegen. Formuliere zu jedem Übergang eine Bedingung.
- Technikinterview: Führe ein Interview mit einer Person aus Technik, Mechatronik, Automatisierung oder Elektrotechnik. Frage nach realen Beispielen für Ablaufsteuerungen, Sensor-Rückmeldungen und Regelkreise.
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Lernkontrolle
- Ampel mit Störung: Eine zeitgesteuerte Ampel arbeitet ihr Programm ab, obwohl eine Fahrspur wegen eines Unfalls blockiert ist. Erkläre mithilfe des Steuerungsprinzips, warum sich der Ablauf nicht automatisch anpasst, und entwickle eine technische Erweiterung.
- Aufzuganalyse: Ein Aufzug fährt erst los, wenn ein Türkontakt geschlossen meldet. Entscheide, ob diese Rückmeldung allein bereits eine Regelung darstellt, und begründe Deine Antwort.
- Linienfolgervergleich: Vergleiche einen Linienfolger mit drei diskreten Sensorzuständen mit einem Linienfolger, der eine kontinuierliche Abweichung vom Linienzentrum berechnet. Arbeite den Unterschied zwischen Steuerung und Regelung heraus.
- Ablaufoptimierung: Eine Fußgängerampel reagiert auf jeden Tastendruck sofort. Entwickle eine bessere Ablaufstrategie, die Sicherheit, Wartezeiten und bereits laufende Phasen berücksichtigt.
- Fehlerdiagnose: Bei einem Robotermodell läuft der Motor weiter, obwohl die Zielposition erreicht sein müsste. Entwickle eine systematische Fehlersuche entlang der Kette Sensor → Steuereinrichtung → Aktor → Steuerstrecke.
- Transfer Haushaltsgerät: Wähle ein Haushaltsgerät und untersuche, welche Funktionen als feste Steuerung, welche als sensorabhängige Ablaufsteuerung und welche möglicherweise als Regelung arbeiten.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen können, dass Du:
- eine technische Steuerung mit den Begriffen Eingabe, Steuereinrichtung, Aktor und Steuerstrecke beschreiben kannst.
- zeitabhängige und ereignisabhängige Abläufe unterscheiden kannst.
- einen einfachen Ablauf als Flussdiagramm oder Zustandsfolge darstellen kannst.
- Sensoren und Aktoren in einem technischen System funktional zuordnen kannst.
- erklären kannst, wie Rückmeldesignale in einer Ablaufsteuerung verwendet werden.
- begründen kannst, warum eine Rückmeldung allein noch keine Regelung ist.
- einen Soll-Ist-Vergleich als wesentliches Merkmal eines Regelkreises erklären kannst.
- die Wirkung von Störungen bei offenen Steuerungen und bei Regelungen vergleichen kannst.
- ein Ampel- oder Robotikmodell analysieren und Verbesserungsvorschläge entwickeln kannst.
- auf E-Niveau einen diskret gesteuerten Linienfolger von einem regelnden Linienfolger unterscheiden kannst.
OERs zum Thema
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Das Bild einer intelligenten Ampel mit Sensorik eignet sich als Ausgangspunkt für die Frage, welche Messgrößen ein modernes Verkehrssystem erfassen könnte und ob daraus lediglich Schaltentscheidungen oder eine weitergehende Regelstrategie entstehen.
Wokwi-Simulation einer einfachen Arduino-Ampel
Wokwi-Simulation einer Fußgängerampel mit Taster
Wokwi-Simulation eines einfachen Linienfolger-Programms
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