Steuern, Regeln und Robotik
Im Winter stellst du am Heizkörper eine feste Stufe ein. Scheint tagsüber die Sonne, wird es im Zimmer zu warm. Bei strengem Frost bleibt es zu kühl. Eine Heizung mit Thermostat hält dagegen die eingestellte Temperatur, egal wie das Wetter ist.
Was ist der Unterschied zwischen beiden Heizungen? Und wie kann ein Roboter auf seine Umgebung reagieren, ohne dass ihn jemand fernsteuert? Das klärst du in dieser Lektion.
Steuern und Regeln
Bei einer Steuerung wirkt der Eingang auf den Ausgang, und es wird nicht geprüft, was dabei herauskommt. Die Wirkungskette ist offen. Beispiele: eine Herdplatte auf Stufe 3, ein Waschprogramm, eine Ampel mit festem Zeitplan.
Bei einer Regelung wird die Größe, die konstant bleiben soll, laufend gemessen und mit dem Wunschwert verglichen. Weicht sie ab, greift die Regelung ein. Die Wirkungskette ist ein Kreis, der Regelkreis. Beispiele: ein Thermostat, ein Tempomat, ein Kühlschrank.
Größen im Regelkreis
| Begriff | Bedeutung | Heizung im Zimmer |
|---|---|---|
| Regelgröße | die Größe, die konstant bleiben soll | Raumtemperatur |
| Sollwert | der gewünschte Wert der Regelgröße | 21 °C |
| Istwert | der aktuell gemessene Wert | Anzeige des Temperaturfühlers |
| Regler | vergleicht Soll- und Istwert und entscheidet | Thermostat |
| Stellgröße | womit der Regler eingreift | Heizventil: lässt mehr oder weniger Warmwasser durch |
| Störgröße | äußerer Einfluss, der die Regelgröße verändert | offenes Fenster, Sonne, Außentemperatur |
Der Regler wirkt der Abweichung entgegen. Das ist die negative Rückkopplung, die du von der Regelung des Blutzuckers kennst. Auch dort gibt es Sollwert, Fühler und Stellgröße (Insulin).
Steuern oder Regeln?
Steuern oder Regeln?
Zwei Heizungen sollen ein Zimmer auf 21 °C halten. Heizung A wird gesteuert: Ihr Ventil steht fest auf Stufe 3. Heizung B wird geregelt: Ein Thermostat öffnet das Ventil weiter, wenn die Temperatur unter 21 °C sinkt, und schließt es, wenn sie darüber steigt. Angenommen, bei 0 °C Außentemperatur ergibt Stufe 3 genau 21 °C, und je 1 °C wärmerer Außenluft wird das Zimmer 0,5 °C wärmer. Welche Raumtemperatur stellt sich bei A ein, wenn es draußen 10 °C hat, und welche bei −6 °C? Und bei B?
Bei 10 °C ist es draußen 10 °C wärmer als bei 0 °C. Das Zimmer wird 0,5 · 10 = 5 °C wärmer: 21 °C + 5 °C = 26 °C.
Bei −6 °C ist es draußen 6 °C kälter. Das Zimmer wird 0,5 · 6 = 3 °C kühler: 21 °C − 3 °C = 18 °C.
Die Außentemperatur ist hier die Störgröße. Die Steuerung A bemerkt sie nicht. Bei B misst der Thermostat 26 °C und schließt das Ventil, oder er misst 18 °C und öffnet es. Dadurch bleibt die Raumtemperatur in beiden Fällen etwa bei 21 °C.
Anwendungen von Steuerung und Regelung
- Alltag: Kühlschrank, Backofen und Bügeleisen regeln ihre Temperatur, der Tempomat im Auto die Geschwindigkeit.
- Medizin: Eine Insulinpumpe mit Sensor misst den Blutzucker und passt die Insulinabgabe an. Ein moderner Herzschrittmacher registriert den Herzschlag und gibt nur dann einen Impuls ab, wenn er ausbleibt.
- Militär: Autopilot und Lenkung von Flugkörpern und Drohnen vergleichen ihren Kurs ständig mit Sensordaten. Dieselbe Technik steckt in zivilen und militärischen Geräten. Ob eine Anwendung vertretbar ist, ist eine Frage der Ethik.
- Autonomes Fahren: Ein Abstandstempomat misst per Radar den Abstand zum Vordermann und regelt danach Gas und Bremse. Ein Spurhalteassistent korrigiert die Lenkung.
Mikrocontroller, Sensoren und Aktoren als Regler
Den Mikrocontroller kennst du aus Klasse 7-8 als kleinen Computer auf einem Chip. In einer Regelung übernimmt er die Rolle des Reglers: Der Sensor liefert den Istwert, das Programm vergleicht ihn mit dem Sollwert, und der Aktor (Motor, Ventil, Relais) ist das Stellglied. Das EVA-Prinzip (Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe) wird so zum Regelkreis, sobald der Sensor die Wirkung des Aktors wieder misst.
Stationäre und autonome Roboter
Ein Roboter ist eine Maschine mit Sensoren, Aktoren und einem Mikrocontroller, die Aufgaben nach einem Programm ausführt.
- Stationäre Roboter stehen fest und bewegen nur Arme, zum Beispiel Schweißroboter in der Autofabrik. Ihre Bahn ist meist fest einprogrammiert.
- Mobile Roboter fahren oder fliegen, etwa Staubsauger- und Mähroboter. Ein mobiler Roboter ist autonom, wenn er anhand seiner Sensordaten selbst über den nächsten Schritt entscheidet, zum Beispiel einem Hindernis ausweicht. Autonom heißt: ohne ständige Steuerung durch einen Menschen, nicht: ohne Programm.
Einen Roboter baust und programmierst du in vier Schritten: Aufgabe festlegen, passende Sensoren und Aktoren auswählen und aufbauen, das Programm schreiben, testen und verbessern.
Algorithmische Grundbausteine
| Baustein | Bedeutung | Beispiel beim Roboter |
|---|---|---|
| Bedingung | Aussage, die wahr oder falsch ist | Abstand kleiner als 10 cm |
| Verzweigung | wenn die Bedingung wahr ist, Teil A, sonst Teil B | wenn Hindernis, dann drehen, sonst geradeaus |
| Schleife | Anweisungen werden wiederholt, fest oft oder solange eine Bedingung gilt | wiederhole immer: Sensor lesen, entscheiden |
| Zähler | Variable, die bei jedem Ereignis um 1 wächst | zählt die Radumdrehungen |
| Zeitglied | wartet oder schaltet nach einer Zeit | Motor 2 s laufen lassen |
| Unterprogramm | benannter Programmteil, der mit einem Aufruf (auch mit Parameter) ausgeführt wird | drehen(Winkel) |
Eine Fußgängerampel programmieren
Eine Fußgängerampel programmieren
Die Ampel zeigt Autos grün und Fußgängern rot. Wird der Taster gedrückt, warten die Autos noch 3 s, dann wird es 2 s gelb und rot. Die Fußgänger haben 8 s grün, danach blinkt ihr grünes Licht 4-mal, und sie bekommen rot. 2 s später fahren die Autos wieder.
Hauptprogramm:
| Zeile | Einrückung | Anweisung |
|---|---|---|
| 1 | 0 | |
| 2 | 1 | |
| 3 | 1 | |
| 4 | 2 | |
| 5 | 2 | |
| 6 | 2 | |
| 7 | 2 | |
| 8 | 2 |
Unterprogramm:
| Zeile | Einrückung | Anweisung |
|---|---|---|
| 1 | 0 | |
| 2 | 1 | |
| 3 | 1 | |
| 4 | 2 | |
| 5 | 2 | |
| 6 | 2 |
Wie lange sind die Autos bei einem Durchlauf rot?
Die Autos werden in Zeile 6 rot und in Zeile 2 des nächsten Durchlaufs wieder grün. Dazwischen liegen 8 s (Fußgänger grün), blinken(4) und 2 s (Zeile 8). Ein Durchgang von blinken dauert 0,5 s + 0,5 s = 1 s, bei 4 Durchgängen also 4 s. Zusammen: 8 s + 4 s + 2 s = 14 s.
Die Bausteine: Die Schleife in Zeile 1 läuft sehr schnell und fragt so den Taster laufend ab. Zeile 3 ist eine Verzweigung mit der Bedingung "Taster gedrückt". Die Zeilen mit "warte" sind Zeitglieder. In blinken zählt die Variable Zähler die Durchgänge, und das Unterprogramm wird mit blinken(4) aufgerufen.
Chancen und Risiken: Internet der Dinge und autonomes Fahren
Zum Internet der Dinge (englisch Internet of Things, IoT) gehören Geräte mit Sensoren und Mikrocontroller, die über das Internet Daten austauschen, etwa ein Heizungsthermostat, das man per App bedient.
- Chancen: Komfort und Energiesparen, Überwachung von Maschinen aus der Ferne. Beim autonomen Fahren die Entlastung der Fahrenden und Mobilität für Menschen, die nicht selbst fahren können. Assistenzsysteme können Unfälle durch Müdigkeit verringern.
- Risiken: Hackerangriffe auf vernetzte Geräte, Datenschutz (Anwesenheitszeiten, Bewegungsprofile), Abhängigkeit von Sensoren und Software, die bei Nebel oder Schnee Fehler machen können. Unklar ist oft, wer bei einem Unfall verantwortlich ist.
Technik bewerten heißt, Nutzen und Risiken abzuwägen.
Jede Automatik ist eine Regelung
Jede Automatik ist eine Regelung
„Die Ampel schaltet nach festem Zeitplan um. Das ist eine Regelung.“
Eine Regelung braucht die Rückmeldung: Ein Sensor misst die Regelgröße, und der Regler vergleicht sie mit dem Sollwert. Ein fester Zeitplan, ein Waschprogramm oder eine Herdplatte auf Stufe 3 sind Steuerungen. Sie bemerken Störungen nicht.
Autonom heißt fehlerfrei
Autonom heißt fehlerfrei
„Ein autonomer Roboter denkt selbst und macht keine Fehler.“
Ein autonomer Roboter führt sein Programm aus und entscheidet nach seinen Sensordaten. Meldet ein Sensor etwas Falsches oder fehlt eine Situation im Programm, handelt er falsch.
Zusammenfassung
Eine Steuerung ist eine offene Wirkungskette ohne Rückmeldung. Eine Regelung misst die Regelgröße laufend, vergleicht sie mit dem Sollwert und greift ein: der Regelkreis.
Im Regelkreis gibt es Regelgröße, Sollwert, Istwert, Regler, Stellgröße und Störgröße. Der Regler wirkt der Abweichung entgegen (negative Rückkopplung).
Regelkreise gibt es im Alltag, in der Medizin, im Militär und beim autonomen Fahren, aber auch im Körper.
Ein Mikrocontroller wirkt als Regler: Der Sensor liefert den Istwert, der Aktor stellt.
Stationäre Roboter stehen fest. Mobile Roboter sind autonom, wenn sie anhand ihrer Sensordaten selbst entscheiden.
Programme bestehen aus Bedingung, Verzweigung, Schleife, Zähler, Zeitglied und Unterprogramm. Beim Internet der Dinge und beim autonomen Fahren wägt man Chancen und Risiken ab.
Übungen
Welches Beispiel ist eine Regelung?
Im Winter wird bei einer Zimmerheizung mit Thermostat ein Fenster geöffnet. Welche Rolle hat das offene Fenster im Regelkreis?
Das Unterprogramm blinken(n) schaltet ein Licht n-mal jeweils 0,5 s aus und 0,5 s an. Wie viele Sekunden dauert blinken(6)?
Ein Roboter fährt mit 0,25 m je Sekunde geradeaus. Ein Zeitglied schaltet den Motor nach einer festen Zeit ab. Wie viele Sekunden muss der Motor laufen, damit der Roboter 2 m weit fährt?
Ein Roboter fährt geradeaus, bis sein Abstandssensor weniger als 10 cm meldet, und dreht dann. Welcher Baustein ist die Aussage "weniger als 10 cm"?
Ein Abstandstempomat hält einen eingestellten Abstand zum Vordermann. Nenne Sollwert, Istwert, Stellgröße und eine Störgröße.