Durchflussregler (Labor)

Armin Rohnen, 19.06.2023

Das Thema wird in der Multi-MCU-Elektronik weiter verfogt. Die STM32-Elektronik wurde außer Betrieb gesetzt.

Jan Budnick, 28.05.2022 (Abschlussbemerkung)

Zur Durchflussregelung wurde eine Funktion geschrieben, welche den Durchfluss mit PID regelt. Dafür werden der Sollwert, kP, kI, kD (Reglerverstärkung) und ein Drehzahllimit der Pumpe übergeben. Die Funktion speichert daraufhin eine Solldrehzahl (bzw. Spannungswert in mV) ab. Zur experimentellen Einstellung des Reglers sind im Programme Tab dafür numerische Editfields für Reglerverstärkung und Sollwert eingebaut. Auf diese wird derzeit bei Funktionsaufruf zugegriffen. In der Funktion wird der Integrator außerdem zwischen anti-windup zu implementiert.

Da die optimale Einstellung des Reglers stark abhängig von der Regelstrecke ist (Kaffepuck und Hydraulikaufbau) und Zeitknappheit besteht, wird auf eine genauere Einstellung verzichtet. Diese kann stattdessen in Zukunft selbst unternommen werden. Sobald dazu eine geeignete Quelle gefunden wird, wird diese hier verlinkt, ist aber ansonsten beim Suchen nach der praktischen Einstellung eines PID-Reglers schnell zu finden.

Es können jedoch folgende Erkenntnisse bei derzeitigem Aufbau (0,6 mm Drossel im Warmwasser, 0,6 mm Drossel im Mischwasser, 0,5 Umdrehung offen Verstelldrossel in der Brühgruppe, 2 Umdrehungen offen Verstelldrossel Bypass) genannt werden:

Bei Festwasseranschluss und geringem Durchfluss durch die Brühgruppe ist die Verwendung eines I-Anteil völlig ausreichend. Es haben sich Werte im Bereich 1000-2000 bewährt. Die Verwendung von kp und kD helfen nicht wesentlich, verstärken jedoch Schwingungen.

Für Teewasser und Festwasser (höherer Durchfluss) hat sich kP=500, kI=1500-3000 bewährt.

Für Kaffee aus dem Tank hat sich kP=240, kI 500-750 bewährt (gerät leicht ins Schwingen braucht jedoch einige Sekunden für statische Genauigkeit)

Generell lässt sich sagen, dass kD aufgrund mangelnder Messstabilität und Verzögerung den Regler nicht schneller macht, jedoch die Stabilität reduziert.

Der Regler ist bei Bezugsgeschwindigkeiten von 1 ml/s meist auf +-0,1 ml/s stabil, weicht davon aber gelegentlich ab, besonders bei Festwasserstößen. Außerdem braucht der I-Anteil besonders ohne Festwasseranschluss Zeit, bis der gewünschte Flusswert erreicht wird. Die Stabilität des Flusswertes ist bei Bezug aus dem Tank wahrscheinlich etwas stabiler, allerdings gibt es weiterhin Schwankungen, dies kann in Zukunft genauer untersucht werden. Ein großer Vorteil des Bezugs aus einem Tank ist die Möglichkeit geringen Flusses bei geringem Gegendruck durch den Kaffeepuck. Gleichzeitig wird der Flusswert bei Festwasseranschluss besser gehalten, da ein höherer I-Anteil verwendet werden kann, da höhere Drosselung notwendig ist.

Wenn man sich den Verlauf des Durchflusses live während des Bezuges anschauen möchte, ist dafür ein Diagramm im Tab Programme abgelegt. Dieses ist in der Software standardmäßig auskommentiert, da es Performanceprobleme gibt. Es kann aber bei vorliegender Rechenleistung und vorsichtigen Experimentieren verwendet werden.

To-Do: Regler durch Verbesserung der Messwerte schneller machen. Regler Verstärkung ermitteln.

Mischdrosseln an die Anforderungen anpassen. Sie sind derzeitig sehr klein und erlauben demnach keinen hohen Durchfluss jenseits von 8-10 ml (warm).

Jan Budnick, 21.05.2022

Dank der eingebauten Drossel hinter dem Motor und dem Bypass ist anzunehmen, dass zumindest ein annehmbar stabiler Fluss von 1 ml/s möglich ist. Wird dies nur durch Drosselung des Motors erreicht, ist ein Fluss im höheren Bereich nicht mehr möglich. Auch die Öffnung des Bypasses kann helfen. Dabei ist darauf zu achten, dass besonders am Anfang der Fluss am Motor vorbeigeleitet wird und sich somit Anfangs sogar ein höherer Fluss einstellt (als ohne den Bypass). Auch den Bypass kann man jedoch nicht allein verwenden, da ansonsten höchst wahrscheinlich ein Druck von 9 bar nicht erreicht werden kann. Das beste Ergebnis lässt sich somit wahrscheinlich nur durch die Kombination von Bypass und Motordrosselung erreichen.

Zusätzlich könnte ein Druckminderer am Festwasseranschluss günstig sein, besonders da dieser auch Druckstöße reduzieren würde.

Jan Budnick, 15.05.2022

Da eine Simulation des Reglers sehr aufwendig ist und die Strecke sehr veränderlich ist, wird auf eine Simulation verzichtet. Stattdessen wurde ein PI-Regler geschrieben, um den Regler experimentell einzustellen. Der D-Anteil wurde vorerst rausgelassen, da dieser weiteren Rechenaufwand verursacht und er bei der jetzigen Messwertgüte kontraproduktiv wäre.

Die jetzige Erfahrung mit dem Regler ist, dass eine schnelle schwingungsarme Regelung aufgrund der Pumpenregelung, dem Festwasseranschluss und der Messwertgüte nur schwer umsetzbar ist. Genauere Ausführungen dazu sind im To-Do Messwerte erfassen (Labor) nachzulesen.

Besonders beim Kaffeebezug ist eine Regelung schwierig, da bei 1 ml/s der Festwasserdruck eine lange Zeit mehr als 1 ml/s ohne Motor schafft. Im Bereich, wo die Pumpe gerade so zugeschaltet werden soll, springt der Flusswert dann wild umher, da die Pumpe nur 0 Umdrehungen kann oder mindestens 300.

Jan Budnick, 10.04.2022

In einem ersten Test wurde das Verhalten der Getriebepumpe untersucht. Dafür wurde im ersten Teil der Boiler entwässert um den Einfluss des Festwasseranschlusses zu eliminieren. In einem zweiten Teil wurde der Wasserbezug durch die Pumpe mit Festwasseranschluss getestet. In beiden Fällen wurde die Ansteuerspannung Stufenweise erhöht und der Durchfluss mit einer Abtastrate von 15 s^-1 abgetastet.

Die Rohdaten können hier und hier in CSV-Form eingesehen werden.

Zusammenfassung Ergebnis:

   Beim Boilerentleeren sind Schwankungen im Bereich von etwa 10% bereits im niedrigen Flussratenbereich aufgetreten.
   Beim Festwasseranschluss sind bereits bei geringen Flussraten Schwankungen im ml/s Bereich aufgetreten.
   Bei beiden sind Signifikante Messspitzen entstanden, die ein vielfaches der momentanen Flussrate entsprachen.

Jan Budnick, 14.03.2022

Es ist ein Durchflussregler zu implementieren, welcher für den Kaffeebezug einen Durchflusssollwert von 1 cm^3/s erreichen soll (für Teebezug ein anderer Wert). Gewünschte Genauigkeit beträgt 0,1cm^3/s. Regelgröße ist die Durchflussrate, Stellgröße ist die Pumpenleistung bzw. genauer gesagt die Steuerspannung der Pumpe. Vorzugsweise sollte ein PID-Regler mit Vorsteuerung verwendet werden.

Folgende Vorgehensweise wird empfohlen:

   Regler coden
   Systemverhalten analysieren (Sprungantwort aufnehmen)
   Vorläufige Regelparameter (PID) durch Simulation bestimmen
   Testen und gegebenenfalls Regelparameter abändern

Armin Rohnen, 21.02.2022

Auf Basis der Abschlussarbeit von Felix Müller [21] soll ein Regelkreis für den Durchfluss programmiert werden.