Das Gehirn einer Geschwindigkeitsregelanlage ist ein kleiner Computer, der sich normalerweise unter der Motorhaube oder hinter dem Armaturenbrett befindet. Er ist mit der im vorigen Abschnitt beschriebenen Drosselklappensteuerung sowie mit mehreren Sensoren verbunden. Das nachstehende Diagramm zeigt die Ein- und Ausgänge einer typischen Geschwindigkeitsregelanlage.
Eine gute Geschwindigkeitsregelanlage beschleunigt aggressiv auf die gewünschte Geschwindigkeit, ohne diese zu überschreiten, und hält diese Geschwindigkeit dann mit geringer Abweichung, egal wie viel Gewicht im Auto ist oder wie steil der Berg ist, den man hinauffährt. Die Steuerung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs ist eine klassische Anwendung der Kontrollsystemtheorie. Der Tempomat regelt die Geschwindigkeit des Fahrzeugs über die Drosselklappenstellung, weshalb er Sensoren benötigt, die ihm die Geschwindigkeit und die Drosselklappenstellung mitteilen. Außerdem muss er die Steuerungen überwachen, um die gewünschte Geschwindigkeit und den Zeitpunkt des Auskuppelns zu ermitteln.
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Der wichtigste Eingang ist das Geschwindigkeitssignal; der Geschwindigkeitsregler macht eine Menge mit diesem Signal. Beginnen wir mit einem der grundlegendsten Steuersysteme, die es gibt – einem Proportionalregler.
Bei einem Proportionalregler passt der Tempomat die Drosselklappe proportional zum Fehler an, wobei der Fehler die Differenz zwischen der gewünschten und der tatsächlichen Geschwindigkeit ist. Wenn also der Tempomat auf 60 mph eingestellt ist und das Auto mit 50 mph fährt, wird die Drosselklappe ziemlich weit geöffnet sein. Wenn das Auto 55 mph fährt, ist die Drosselklappenstellung nur noch halb so weit geöffnet wie vorher. Das Ergebnis ist, dass das Auto umso langsamer beschleunigt, je näher es der gewünschten Geschwindigkeit kommt. Außerdem kann es sein, dass das Auto an einem steilen Berg überhaupt nicht beschleunigt.
Die meisten Geschwindigkeitsregelsysteme verwenden ein Regelverfahren, das als Proportional-Integral-Differenzial-Regelung (auch PID-Regelung genannt) bezeichnet wird. Keine Sorge, du musst keine Ahnung von Mathematik haben, um diese Erklärung zu verstehen – erinnere dich einfach daran:
- Das Integral der Geschwindigkeit ist die Entfernung.
- Die Ableitung der Geschwindigkeit ist die Beschleunigung.
Ein PID-Regelsystem verwendet diese drei Faktoren – Proportional-, Integral- und Ableitungsfaktor – und berechnet sie einzeln und addiert sie, um die Drosselklappenposition zu erhalten.
Den Proportionalfaktor haben wir bereits besprochen. Der Integralfaktor basiert auf dem Zeitintegral des Geschwindigkeitsfehlers des Fahrzeugs. Übersetzt heißt das: die Differenz zwischen der tatsächlich zurückgelegten Strecke und der Strecke, die das Auto bei der gewünschten Geschwindigkeit zurückgelegt hätte, berechnet über eine bestimmte Zeitspanne. Dieser Faktor hilft dem Auto bei der Bewältigung von Steigungen und trägt dazu bei, dass es sich auf die richtige Geschwindigkeit einstellt und diese beibehält. Nehmen wir an, Ihr Auto fährt einen Hügel hinauf und wird langsamer. Die Proportionalsteuerung erhöht die Drosselklappe ein wenig, aber Sie werden vielleicht trotzdem langsamer. Nach einer Weile wird die Integralsteuerung beginnen, die Drosselklappe immer weiter zu öffnen, denn je länger das Auto eine niedrigere als die gewünschte Geschwindigkeit beibehält, desto größer wird der Abstandsfehler.
Nun fügen wir den letzten Faktor hinzu, die Ableitung. Denken Sie daran, dass die Ableitung der Geschwindigkeit die Beschleunigung ist. Dieser Faktor hilft dem Tempomaten, schnell auf Veränderungen zu reagieren, z.B. bei Steigungen. Wenn das Auto langsamer wird, kann der Tempomat diese Beschleunigung erkennen (Verlangsamung und Beschleunigung sind beides Beschleunigungen), bevor sich die Geschwindigkeit tatsächlich stark ändern kann, und mit einer Erhöhung der Drosselklappenstellung reagieren.
Ableitung