Sensoren, Regler und Aktoren

Nenne die drei Grundelemente eines Regelsystems und erkläre am Beispiel des Thermostats einer Heizung, was jedes davon tut.

Die Abbildung zeigt die Kette eines Regelsystems, aber der mittlere Block fehlt. Gib an, um welchen Block es sich handelt und was er tut, und schreibe die vollständige Kette (mit konkreten Beispielen für jeden Block) für ein automatisches Garagentor auf.

Wähle ein Regelsystem aus deinem Zuhause (Heizung, automatisches Treppenhauslicht, Rauchmelder mit Warnsignal …) und vervollständige seine Kette: Sensor → Regler → Aktor.

Welcher Unterschied besteht zwischen einem Temperatursensor und einem vollständigen Thermostat? Erkläre, welche Elemente dem Sensor fehlen, um ein Regelsystem zu sein.

Ordne diese Bauteile den Sensoren, Aktoren und dem Regler zu: ein Lichtsensor (LDR), ein Motor, ein Summer, ein Mikrocontroller, ein Taster und ein Servomotor. Begründe jede Zuordnung mit dem, was das Bauteil tut.

Ordne diese Elemente den Sensoren oder Aktoren zu und begründe jede Entscheidung: Mikrofon, Lautsprecher, Kamera, Lampe, Bewegungsmelder und Relais, das einen Motor einschaltet.

Eine Ampel arbeitet mit festen Zeiten, egal ob Autos kommen oder nicht. Hat dieses Regelsystem Sensoren? Welchen Sensor würdest du hinzufügen, um es „intelligent“ zu machen, und was würde sich durch diese Änderung verbessern?

Ein Mitschüler behauptet: „Um ganz sicher zu wissen, ob ein Garagentor beim Schließen das Ende seines Wegs erreicht hat, ist ein Fotowiderstand (LDR) viel besser als ein mechanischer Endschalter, denn da er analog ist, liefert er unendlich viele Werte und viel mehr Information als ein einfacher digitaler Ein/Aus-Sensor.“

1. a) Widerlege diese Aussage technisch: Erkläre zwei reale Funktions- oder Zuverlässigkeitsprobleme, die der LDR bei dieser Aufgabe gegenüber dem Endschalter verursachen würde.
2. b) Begründe, warum der digitale Sensor in diesem speziellen Fall trotz geringerer Datenmenge überlegen ist.
3. c) Entwirf eine Funktion an demselben automatischen Tor, bei der der Einsatz des LDR die passende Wahl und der Endschalter nutzlos ist.

Erkläre mit dem Vergleich zum „Gehirn“, was ein Mikrocontroller in einem Regelsystem tut: Was kommt bei ihm an, was macht er damit und was befiehlt er?

Eine Bewässerungsanlage hat einen Bodenfeuchtesensor und ein Magnetventil. Welches Element fehlt, damit sie automatisch funktioniert, und welche einfache Regel würde es ausführen?

Ein intelligenter Blumentopf gießt die Pflanze, wenn die Erde trocken ist. Bestimme Sensor, Regler und Aktor dieses Systems und erkläre, welche Information von einem Element zum nächsten weitergegeben wird.

Ein Linienfolger-Roboter nutzt zwei Infrarotsensoren, die zu beiden Seiten der Linie angebracht sind. Erkläre, welche Information jeder Sensor liefert und wie der Controller entscheidet, ob er nach links oder rechts lenken muss.

Ein Parkplatz zählt die Autos mit einem Sensor an der Einfahrt und einem an der Ausfahrt. Entwirf die Logik des Reglers, um zu wissen, wie viele Plätze frei sind, und was die Anzeige an der Einfahrt zeigen soll, wenn der Parkplatz voll ist.

Entwirf ein System, das ein Schulgewächshaus zwischen $18\ ^\circ\text{C}$ und $25\ ^\circ\text{C}$ hält: Wähle die Sensoren und Aktoren aus und beschreibe die Entscheidungen des Reglers mit klaren Regeln (Wenn …, dann …).

Erkläre den Unterschied zwischen einem „Ein/Aus“-Aktor (zum Beispiel einem Relais) und einem proportionalen Aktor (zum Beispiel einem Servomotor) und nenne für jeden Typ eine passende Anwendung.

Ein Gewächshaus hat eine Heizung, einen Ventilator und ein motorisiertes Fenster. Priorisiere die drei Aktoren nach Verbrauch und Sicherheit und schreibe die Entscheidungsregeln des Reglers für die Messwerte $15\ ^\circ\text{C}$, $22\ ^\circ\text{C}$ und $30\ ^\circ\text{C}$ auf.

Zur Kühlung eines Serverschranks wird eine Schwellenwertregelung (Ein/Aus) getestet: Wenn die Temperatur $25,0\ ^\circ\text{C}$ überschreitet, schaltet sich der Ventilator mit $100\ \%$ ein; fällt sie unter $24,9\ ^\circ\text{C}$, schaltet er sich abrupt aus.

1. a) Sage die negativen Folgen dieses Systems für die Raumtemperatur und die Lebensdauer des Ventilators voraus (Effekt des ständigen Schaltens und mechanischer Verschleiß).
2. b) Entwirf eine Alternative mit linearer Proportionalregelung zwischen $20,0\ ^\circ\text{C}$ (Ventilator bei $0\ \%$) und $30,0\ ^\circ\text{C}$ (Ventilator bei $100\ \%$). Berechne, mit wie viel Prozent Leistung der Ventilator läuft, wenn die Temperatur bei $26,5\ ^\circ\text{C}$ liegt.
3. c) Begründe, warum diese Proportionalregelung die thermische Stabilität und die Effizienz gegenüber der Schwellenwertregelung verbessert.

Ein normaler Ventilator läuft, bis du ihn ausschaltest, aber eine Klimaanlage schaltet sich selbstständig aus und ein, um die Temperatur zu halten. Erkläre mit dem Begriff der Rückkopplung den Unterschied zwischen beiden Systemen: Welches misst das Ergebnis seiner Wirkung erneut?

Die Abbildung zeigt ein Regelsystem mit Rückkopplung, wobei der Vergleichspunkt mit ? markiert ist. Erkläre, welche beiden Werte an diesem Punkt verglichen werden, welches Ergebnis man erhält und wofür der Regler es verwendet.

Ein Thermostat misst wegen falscher Kalibrierung $2\ ^\circ\text{C}$ zu viel. Erkläre, warum der Regler „glaubt“, seine Arbeit perfekt zu machen, während der Raum kälter bleibt als gewünscht, und welche Folge das für die Wartung von Sensoren hat.

Analysiere die vollständige Regelkette eines Zebrastreifens mit Taster: Was erkennt, was entscheidet und was handelt in jedem Moment? Begründe, was passiert, wenn der Sensor des Tasters ausfällt, und welches sichere Verhalten das System haben sollte.

Entwirf einen intelligenten Fußgängerüberweg, der die Grünzeit verlängert, wenn er erkennt, dass noch Personen langsam die Straße überqueren. Gib Sensoren, Entscheidungsregeln und Aktoren an und diskutiere ein mögliches Risiko oder einen möglichen Missbrauch des Systems.

Analysiere das Regelsystem einer Ampel mit Kameras, die dem Linienbus Vorrang gibt: Was erkennt, was entscheidet und was handelt in jedem Fall? Was sollte geschehen, wenn sich ein Rettungswagen im Einsatz nähert?

Ein Ultraschall-Abstandssensor versagt bei Stoffen und bei schräg stehenden Oberflächen. Erkläre, was das für einen Roboter bedeutet, der ihm blind „vertraut“, und schlage eine Lösung mit Redundanz vor (Sensoren kombinieren oder Plausibilitätsprüfungen).