Mischregler (Labor)
Armin Rohnen, 19.06.2023
Das Thema wird in der Multi-MCU-Elektronik weiter verfogt. Die STM32-Elektronik wurde außer Betrieb gesetzt.
Florian Todenhagen, 10.01.2023
Der Regler für die Mischtemperatur in der Betriebssoftware wurde dem elektronischen Dosierventil angepasst, muss aber noch getestet werden.
Florian Todenhagen, 13.12.2022
Das Dosierventil [AVS-Römer, Seite 253] soll durch das elektronische Dosierventil [AVS-Römer, Seite 257] ersetzt werden. Das bedeutet die Regelung und Ansteuerung muss dem elektronischen Dosierventil angepasst werden.
Dass bedeutet, dem Mikrocontroller darf nicht mehr der Spannungs-Sollwert (oder der entsprechende DAC-Wert) übertragen werden, sondern um wie viele Schritte sich die elektronische Drossel öffnen/schließen soll.
Hierfür muss die Regelung der Mischtemperatur betrachtet werden. Diese findet sich im aktuellen Programmcode (EspressoMenuFork1) ab der Zeile 1315. Jan Budnick empfiehlt die Regelungskoeffizienten kp und ki auf 50 einzustellen [85]. Ergebnis des Programmcodes ist die Spannungsdifferenz, welche mit dem gespeicherten Zustand verrechnet und anschließend über die Funktion „app.act“ ab Zeile 1070 an den Mikrocontroller übergeben wird.
Zuerst muss die Regelung überarbeitet werden, damit keine Spannungsdifferenz, sondern die benötigte Anzahl der Schritte des elektronischen Dosierventils ermittelt wird. Hierfür müssen die PID-Werte neu berechnet werden. Hier können die bisherigen Werte (kp=ki=50) [85] mit dem Verhältnis der maximalen Schritte des elektronischen Dosierventils zu dem maximalen Spannungswert des Dosierventils verrechnet werden. Anschließend muss das Verrechnen mit dem gespeicherten Spannungswert des Dosierventilsentfernt werden. Nur die benötigte Schrittzahl der elektronischen Drossel darf an den Mikrocontroller übertragen werden.
An vielen anderen Stellen in der aktuellen Betriebssoftware wird der Spannungswert auf 0 mV gesetzt. Hier müsste die komplette Schließung der elektronischen Drossel implementiert werden. Dafür ist die Speicherung der aktuellen Position der elektronischen Drossel nötig.
Jan Budnick 07.06.2022 (Abschlussbemerkung)
Es wurde ein Mischtemperaurregler mit der Mischertemperatur als Regelgröße und dem Dosierventilöffnungsgrad/Steuerspannung als Stellgröße implementiert. Es wurde ein PID-Ansatz gewählt, wobei bisher nur P und I Anteil verwendet werden. Für beide wurden in einem ersten Versuch Verstärkungsfaktoren von 50 (kI und kP) ermittelt. Darüber hinaus wurde in einem einfachen Versuch eine Vorsteuergerade bei etwa 3 ml/s ermittelt und in der App implementiert. Diese Versteuerung macht den Regler wesentlich schneller und reduziert dessen Überschwingen. Dies liegt vor allem daran, dass die Regelstrecke wesentliche Totzeitglieder enthält. Erstens in Form von Abstand zwischen Mischer und Messstelle im Hydraulikaufbau und zweitens in Form eines trägen Dosierventils (Verstellzeiten bei kleinen Bewegungen bis über 0,5 s, bei größeren Vorstellungen jenseits einer Sekunde).
Das Anfängliche Überschwingen ist derzeit weniger wichtig, da Wärmekapizitäten dafür sorgen, dass diese Temperatur nicht in der Brühgruppe ankommt. Trotzdem wäre ein Dynamischer Regler mit weniger Tot-Zeiten wünschenswert. Dafür muss vor allem die Messtabilität besser werden, damit der Sensor näher an den Mischer kann und der Temperaturverlust zwischen Mischer und Brühgruppe in den Griff bekommen werden (mehr dazu unter Messwerte erfassen).
Der Regler derzeit nach dem folgenden Prinzip eingesetzt:
1. Statischen Dosierventilöffnungsgrad anfahren (etwas unter dem Vorsteuerwert) mit fester Motordrehzahl.
2. Sobald die Solltemperatur erreicht wird, umschalten auf die Brühgruppe oder Teewasserlanze und den Regler aktivieren.
Dabei wird zur Kompensation des Wärmeverlustes bei Kaffeebezug die ersten 25 ml mit 10°C über der Solltemperatur gearbeitet und anschließend mit +5°C.
Auch hier dauert es bis zum Umschalten noch einige Sekunden.
Um einen möglichst schnellen und genauen Regler zu ermöglichen könnte folgend vorgegangen werden (Nur eine Hypothese, ob das in der Realität sinnvoll ist und funktioniert, muss geprüft werden):
1. Frischwasser und Heißwasser möglichst nah an die Brühgruppe bringen, in anderen Worten erst kurz vor der Brühgruppe mischen.
2. Temperatursensor möglichst direkt hinter der Mischstelle positionieren mit einem Mischelement davor, für stabile Messwerte.
3. Warme Leitungen am besten Dämmen, damit möglichst wenig Temperaturverlust auftritt.
4. Möglichst kurze Heißwasserleitung, damit diese möglichst kurz durchgespült wird.
5. Temperatursensor direkt in der Brühgruppe platzieren, damit die Temperatur des in die Brühgruppe eintretenden Wassers gemessen werden kann.
To-Do: Reglerdynamik verbessern durch Anpassung der Regelstrecke und anschließende Reglerverstärkung ermitteln.
Jan Budnick, 02.06.2022
Derzeit wir der Mischregler Folgendermaßen verwendet (Kaffeebezug):
1. Die Verstelldrossel wird mit einem absichtlich etwas zu kleinen Festwert angesteuert. Dies wird gemacht um wind-up durch die Trägheit des Systems zu verhindern.
2. Das Wasser wird über den Rücklauf mit 500 mV Motorsteuerung bezogen.
3. Überschreitet die Mischertemperatur zum ersten mal die Solltemperatur, schaltet sich der Regler hinzu.
4. Sobald der Regler die Temperatur wieder in die Nähe des Sollwerts bringt, wird der Bezug auf die Brühgruppe umgeschaltet, der Integrator wird dabei nicht zurückgesetzt.
Für den Teebezug gilt ähnliches nur dass hier eine vereinfachte Version verwendet werden kann, da der höhere Durchfluss die Verzögerung der Strecke reduziert. Außerdem gibt es weniger Anforderungen an die Genauigkeit.
Beim Testen konnten folgende Beobachtungen gemacht werden:
1. Das Umschalten des Wassers vom Rücklauf in die Brühgruppe führt derzeit zu einer Temperaturanhebung die der Regler ausregeln muss. Dies liegt an dem geringeren Durchfluss der sich vorerst einstellt. Wird in der Brühgruppe nicht gedrosselt sollte dieser Effekt stark vermindert sein.
2. Bei höherem Flusswert und höherer Flussrate neigt der Regler nach diesem Überschwinger, kurz unter den Sollwert zu tauchen.
3. Eine möglichst genaue Vorsteuerung hat sich als sehr wichtig herausgestellt um die Dynamik und den ersten Überschwinger zu beeinflussen. Mit ordentlicher Vorsteuerung muss womöglich nicht gewartet werden, bis der Regler die Temperatur zum Ersten mal erreicht, sondern es kann sofort umgeschaltet werden wenn der Regler zugeschaltet wird. Damit könnte die Zeit bis zum Bezug von fast 10 Sekunden auf 5 Sekunden Reduziert werden.
4. Wie bei den anderen Reglern Hat sich der kD-Anteil bisher als wenig hilfreich herausgestellt. Die Einstellung von kP und kI wurde durch herumprobieren vorläufig ermittelt muss aber noch optimiert und an Veränderungen angepasst werden. (kP=50, ki=50)
Die Vorsteuerung wird noch Untersucht und falls sich dies Anbieten zumindest eine erste Implementierung versucht.
Jan Budnick, 28.05.2022
Es wurde eine Funktion zur Mischreglung basierend auf einem PID-Regler programmiert aber noch nicht getestet. An die Funktion werden ein Sollwert, kP, kI, kD (Reglerverstärkung), ein Vorsteuerwert und ein Limit für das Dosierventil übergeben. Die Funktion macht daraus einen Dosierventil Sollwert. Derzeit wird dafür nur die Mischertemperatur verwendet. Es wäre jedoch denkbar, dass in Zukunft auch andere Temperaturwerte einbezogen werden könnten, wie z.B. an der Brühgruppe. Dies ist jedoch, so wie die Erprobung eines trägeren Sensors für stabilere Messwerte, in Zukunft zu erproben.
Jan Budnick, 10.04.2022
Es wurden erste vorläufige Tests des Mischwasserbezugs durchgeführt. Es wurde mit Dosierventilansteuerungsspannungen von 5000 mV bis 1000mv, in 1000 mV-Stufen Mischwasser bezogen. Folgende Beobachtungen wurden gemacht:
Die Mischwassertemperatur schwankt extrem. Dies wird anteilig durch Blasenbildung in der Wasserwendel verursacht. Nicht aufgezeichnete weitere Tests haben jedoch ergeben, dass auch ohne sichtbare Blasenbildung die Temperatur noch im Bereich von mindesten 2 °C schwankt.
Der Temperatursensor im Boiler scheint durch die Heizung und die Wasserwendel beeinflusst zu werden. Dies ist unter anderem dadurch zu beobachten, dass die Mischwassertemperatur bei 1000mV Dosierventilansteuerungsspannung signifikant höher ist als die im Boiler gemessene Temperatur. Außerdem stimmen Dampfdruck und Temperatur ebenfalls nicht überein. Dies ist in der Aufheizphase weniger relevant, besonders wenn das Wasser zirkuliert wird. Bei Wasserbezug.
Nicht nur der Temperatursensor folgt der Mischwassertemperaturänderung verspätet, der Drucksensor reagiert ebenfalls versetzt. Auch dies macht eine Versteuerung schwer.
Jan Budnick, 14.03.2022
Beschreibung des zu implementierenden Reglers:
Regelgröße ist die Mischwassertemperatur. Stellgröße ist der Ventilöffnungsgrad des Dosierventils. Abweichend zu [21] ist ein PID Regler mit Vorsteuerung vorgesehen. Dafür muss eine Kennlinie für Ventilöffnungswinkel vs. Mischertemperatur bzw. Heißwasseranteil aufgenommen werden. Da es sein kann, dass für jede Durchflussgeschwindigkeit eine neue Kennlinie erstellt werden muss, ist zu empfehlen nicht mehr als 2 Durchflussgeschwindigkeiten zu verwenden (Kaffeebezug und Teewasserbezug). Der einstellbare Temperaturbereich ist als 82 °C bis 98 °C definiert. Die gewünschte Regelgenauigkeit beträgt 0,5 °C und die Einschwingzeit max. 3 Sekunden.
Regler coden Systemverhalten analysieren (Sprungantwort aufnehmen) Vorläufige Regelparameter (PID) durch Simulation bestimmen Testen und gegebenenfalls Regelparameter abändern
Jan Budnick, 21.02.2022
Dosierventilsteuerung in der GUI implementieren (Stufenlose Spurleiste).
Armin Rohnen, 21.02.2022
Der in der Abschlussarbeit von Felix Müller [21] erstellte Programmcode für den Regelkreis Mischregelung soll in implementiert werden.