Durchflussregler Multi-MCU

Noureddine Ait Ouhamou, 13.10.2023

Zuerst wird gewartet, bis der Mischregler im Vorlauf eingeschwungen ist. Danach wird das Ventil, welches das Wasser in dieser Zeit in den Überlauf leitet, auf die Brühgruppe umgeschaltet. Anschließend muss das warme Wasser den Kaffeepuck in der Brühgruppe befeuchten und aufquellen lassen. In der Zwischenzeit wird ein Druck in der Brühgruppe aufgebaut. Dabei hat sich herausgestellt, dass eine Verzögerung von 6s eine gute Wartezeit ist, bis der Durchflussregler anfängt zu reagieren. Sobald diese Schritte abgeschlossen sind, fließt der Kaffee in die Tasse und der Durchflussregler soll währenddessen den Solldurchfluss einhalten.

   app.verzoegerungscounter = app.verzoegerungscounter + 1;
   if app.verzoegerungscounter > 50
     app.durchflussregler();
   end

Für den Durchfluss wird ebenfalls ein PID-Regler verwendet. Wie bei den vorherigen Reglern wird ebenfalls eine Abweichung bestimmt. Anschließend wird mit den richtigen Verstärkungsfaktoren die Pumpenspannungsdifferenz berechnet. Danach ändert sich die Pumpenspannung um den errechneten Wert. Bevor die neue Pumpenspannung von MATLAB® an die Basisplatine übergeben wird, wird die alte Durchflussabweichung gespeichert und der Integralwert berechnet. Dieser ermittelt sich ebenfalls mit dem Rechteckverfahren, in dem der zuvor berechnete Integralwert zu der Division von der Abweichung durch die Regelfrequenz addiert wird. Wegen dem enthaltenen I-Anteil muss ein Anti-Windup in die Regelung eingebaut werden. Sobald die Pumpenspannung unter 1000 mV fällt oder 2100 mV überschreitet, wird der letzte Wert behalten, um ein Übersteuern und Überschwinger zu verhindern. Bei den Versuchen einen Solldurchfluss von 2 ml/s einzuhalten, hält sich die Leistung in dem erwähnten Bereich. Zuletzt wird überprüft, ob die berechnete Pumpenspannung die minimale Spannung von 0 unterschreitet oder die maximale von 5000 mV überschreitet. Ist dies nicht der Fall wird der digitale Spannungswert für den DAC errechnet. Dazu gibt es eine Überprüfung, ob der neue berechnete Spannungswert dem alten entspricht. Somit sendet MATLAB® nur eine neue Pumpenspannung an die Basisplatine, wenn sich die Spannung ändert, um die Datenmenge im Netzwerk zu reduzieren. Falls eine andere Spannung ermittelt wurde, wird der neue Stellwert an die Platine übergeben und für die Abfrage in MATLAB® abgespeichert. Damit der PID-Regler das Stellsignal richtig berechnet, werden die Verstärkungsfaktoren für den Regler ermittelt. Zuerst wird wie beim Mischregler der Schwingversuch von Ziegler Nicholson durchgeführt. Dabei ergibt sich ein Kpkrit von 16. Daraus errechnet sich ein Kp von 9,6. Nach dem Ki und Kd herausgefunden wurden, ist Kp = 10 am besten gewesen. Die Periodendauer der Schwingung ist schwer ablesbar, wodurch Ki und Kd experimentell ermittelt werden. Für Ki ergibt sich der Wert 0,05. Wird dieser kleiner gewählt, ist der Einfluss des IAnteils zu gering. Der Verstärkungsfaktor Kd hat den Wert 1. Wird dieser zu groß eingestellt, fängt das System an zu schwingen. So werden die Überschwinger abgedämpft ohne das System träge werden zu lassen.

Problem:
Das Problem ist, dass MATLAB® den erhaltenen Durchflusswert von der Basisplatine ab und zu nicht schnell genug verarbeitet. Somit ist der Istwert, der in einem Textfeld gespeichert wird, bei manchen Durchläufen des Reglers nicht korrekt, wodurch die Pumpenspannung zu sehr steigt oder abfällt. Dadurch kommt das System aus seinem eingeschwungenen Zustand heraus und muss sich neu einregeln. Wird der Wert direkt von der Basisplatine in eine Variable gespeichert und im Regler in das richtige Datenformat gewandelt, hängt sich MATLAB®, solange die Funktion nicht wieder beendet wird, auf. Hingegen wird die Umwandlung des Formats in der Datenverarbeitung der Basisplatine in MATLAB® durchgeführt und in eine separate Variable gespeichert. Dasselbe Problem tritt auf, wenn der Durchflussregler den Istwert aus dem Textfeld nimmt. Dieses Problem ist zu lösen, in dem der Computer MATLAB® mehr Rechenleistung abgibt.

Madita vom Stein, 21.07.2023 - Abschlussbemerkung

Durch den Durchflussregler soll sich die empfohlene Durchflussrate einstellen. Für einen einfachen Espresso sollte diese bei 1 ml/s liegen [85].
Aktuell ist der Durchflussregler als PID-Regler programmiert, wobei der D-Anteil momentan gleich null ist, also ein PI-Regler vorliegt. Bei Bedarf kann ein differenzierender Anteil zusätzlich berücksichtigt, und damit auf einen PID-Regler gewechselt, werden.
Ein P-Anteil reagiert ohne Verzögerung auf den Regelfehler; hinterlässt aber bleibende Abweichungen.
Der integrative Anteil eines PID-Reglers sorgt für stationäre Genauigkeit; verzögert die Regelung jedoch.
Durch den D-Anteil wird die Wahl eines größeren kP-Faktors ermöglicht, da das System weniger schnell zum Schwingen beginnt.
Die quantitativen Ziele für die Einschwingdauer und Überschwinger sind festzulegen. Der Regler soll stationär eine Abweichung kleiner gleich +-0,1 ml/s aufweisen [85].
Zum Erreichen dieser Ziele sollen kP-, kI- und kD-Faktoren, beziehungsweise sinnvolle Kombinationen eben dieser, optimiert werden. Ein von uns vorgeschlagener Lösungsansatz ist, den Durchflussverlauf (Massen- bzw. Volumenstrom) über der Zeit mittels der Ziegler und Nichols Methode auszuwerten, und so mögliche Kombinationen der Reglerparameter zu bestimmen. Der Durchflussverlauf ergibt sich aufgrund von Eingangssprüngen, also Sprüngen der Ansteuerspannung der Pumpe. Diese liegt im Bereich von 0 - 5000 mV. Zu beachten ist dabei der zur Pumpe parallel geschaltete Bypass, durch den der Maximaldruck im System limitiert werden kann. Es gilt zu prüfen, ob dieser Bypass veränderlich sein soll oder nicht. Der Durchfluss wird mittels einer Durchflussmessung hinter Pumpe und Bypass festgestellt. Der grundlegende Gedanke dieses Ansatzes ist in nebenstehender Abbildung visualisiert.

Armin Rohnen, 19.06.2023

Der Regler soll durch Verbesserung der Messwerte schneller gemacht werden. Des Weiteren müssen die Reglerverstärkungen ermittelt werden.

Armin Rohnen, 16.02.2023

Auf Basis der Abschlussarbeit von Jan Budnick [85] bzw. des Durchflussreglers (Labor) ist für die Multi-MCU-Elektronik der Durchflussregler zu realisieren. Dabei ist zu beachten, dass die Pumpenteuerung auf die Steuerspannung 0 bis 5 V angepasst wurde.