Definition und Bedeutung:
Die Totzeit (engl. Dead Time oder Transport Delay) ist eine charakteristische Eigenschaft von dynamischen Systemen, insbesondere von Regelstrecken in der Regelungstechnik. Sie bezeichnet die Zeitspanne, die vergeht, zwischen dem Zeitpunkt, an dem eine Änderung der Stellgröße vorgenommen wird, und dem Zeitpunkt, an dem die Regelgröße auf diese Änderung zum ersten Mal reagiert.
Während der Totzeit zeigt die Regelgröße keine Reaktion, obwohl der Aktor bereits eine Änderung vorgenommen hat. Die Totzeit ist eine „reine“ Verzögerung und ist nicht mit einer Zeitkonstante zu verwechseln, bei der sich das System sofort, aber mit Verzögerung, ändert.
Relevanz in der Automatisierungstechnik:
Totzeiten sind in vielen industriellen Prozessen vorhanden und stellen eine erhebliche Herausforderung für die Regelungstechnik dar:
- Prozessautomation:
- Lange Transportwege: Eine Änderung der Temperatur eines Mediums am Anfang einer langen Rohrleitung wird erst am Ende der Rohrleitung gemessen.
- Analysen: Wenn eine Probe entnommen und analysiert werden muss, bevor ein Ergebnis vorliegt.
- Mischen: Die Zeit, die ein Stoff benötigt, um eine Mischzone zu erreichen.
- Regelungstechnik: Große Totzeiten erschweren die Regelung erheblich, da der Regler erst mit Verzögerung eine Rückmeldung über seine Stellgröße erhält. Dies kann zu Schwingungen, Überschwingen oder Instabilität führen.
- Qualitätssicherung: Probleme können erst mit Verzögerung erkannt werden, was zu mehr Ausschuss führen kann.
Kompensation und Regelstrategien:
Um den negativen Auswirkungen von Totzeiten entgegenzuwirken, werden spezielle Regelstrategien eingesetzt:
- Vorhalteregelung (Smith Predictor): Eine klassische Methode, die ein Modell der Regelstrecke nutzt, um die Auswirkungen der Totzeit zu kompensieren.
- Modellprädiktive Regelung (MPC): Fortgeschrittene Regler, die Totzeiten in ihre Vorhersagemodelle integrieren.
- Reduzierung der Totzeit: Durch mechanische oder verfahrenstechnische Maßnahmen (z.B. kürzere Leitungen, bessere Sensorplatzierung).
Totzeiten sind ein limitierender Faktor für die Regelgüte und müssen bei der Planung und Implementierung von Regelkreisen sorgfältig berücksichtigt werden.
→ Siehe auch: Regelstrecke, Regelkreis, Stellgröße, Regelgröße, MPC (Model Predictive Control), Einschwingzeit
