Regelung des Prototypen eines Pelletgrills

Autor: Benjamin Brüne
Betreuer: Prof. Schneider
Art: Projektarbeit

Thema

In Vorarbeiten wurde ein GMG Pelletgrill mit einer Regelung ausgestattet. Diesen Status gilt es zu Dokumentieren und auf einen weiteren Grill-Prototypen zu übertragen. Nach der Übertragung muss die neue Hard- und Software optimiert werden.

Ziel

Automatische Temperaturregelung eines Pelletgrills.

Aufgabenstellung

Dokumentation des Regelverhaltens des GMG Pelletgrills
Ausrüstung des Grill-Prototypen mit einer Hardware zur automatischen Temperaturregelung
Konstruktive Optimierung des Grill-Prototypen
Dokumentation des Regelverhaltens des Grill-Prototypen
Vergleich und Optimierung des Regelverhaltens GMG mit Prototyp
Konzept für die Serienhardware
Wissenschaftliche Dokumentation

Anforderung

Besuch der Veranstaltung Praxisseminar
Schreiben Sie zu jedem Gespräche mit dem Kunden ein Kurzprotokoll.
Holen Sie sich für jede Publikation von Dokumenten und Versand an den Kunden die Freigabe von Prof. Schneider.

Siehe auch

Projekt dokumentation

Einführung

Im Rahem der durchgeführten Projektarbeit, wurde sich mit den zuvor aufgelistetet Aufgabenstellung befasst. Damit alle Arbeiten im fest definierten Zeitplan durchgeführt werden konnten, wurde zunächst der folgende Projektplan erstellt.

Funktionsanalyse eines GMG

Anschließend begann die Arbeiten, mit der Analyse eines Green Mountain Pelletgrills. Damit reproduzierbares Ergebnis erzielt werden konnten, wurde die Testphase wie nachfolgend standardisiert. Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren auch auf andere Systeme angewendet werden kann, und die daraus resultierenden Ergebnisse verglichen werden können.

Nach Durchführung des Tests, stellte sich das folgende Ergebnis ein.

Die blaue Kennlinie zeigt den Temperaturverlauf, die Rote kennzeichnet die vorgegebene Solltemperatur. Die Umgebungstemperatur betrug 10 °C. Ein Anstieg der Temperatur dauert vom Anschalten des Grills ca. 18 Minuten. Anschließend gibt es einen rasanten Temperaturanstieg (Steigungswinkel ca. 73 °) mit Überschwinger auf ca. 130 °C, woraufhin die Temperatur wieder sinkt. Der Temperaturverlauf ist im ausgeregelten Zustand ohne große Temperaturschwankungen. Allerdings kann über einen Zeitraum von 40 Minuten, die angestrebte Temperatur von 100 °C nicht erreicht werden, und liegt konstant 15 °C darüber. Nachdem die Temperatur von 100 °C auf 250 °C gestellt wurde, steigt die Temperatur mit einem Steigungswinkel von ca. 75 ° an, und übersteigt dann die Vorgabe. Anschließend schwingt der Verlauf oberhalb der Soll-Temperatur, für einen Zeitraum von weiteren 30 Minuten.

Bestückung des Haupert Prototypen

Zu beginn der Projektarbeit konnte durch den Auftraggeber Herrn Haupert ein eigens entwickelter Pelletgrill Prototyp zur Verfügung gestellt werden. Dieser wurde bei der Durchführung von Aufgabe 2 und 3 zunächst mit Komponenten bestückt und anschließend ebenfalls der Temperaturverlauf aufgezeichnet.

Zu den Aktoren eines Pelletgrills zählen die nachfolgenden Komponenten:

Getriebemotor: Dieser treibt eine Förderschnecke an, welche Pellets aus einem Aufbewahrungsbehälter in die Brennkammer fördert. Daten: 230 V AC, 4,4 min−1

Heizstab: Mithilfe des Heizstabes werden Pellets autonom entzündet. Daten: 230 V AC, 200 W

Lüfter: Damit eine Flamme im Inneren der Brennkammer entstehen kann, wird Sauerstoff durch diesen Lüfter in das Grillgehäuse geleitet. Daten: 12 V DC, 12 cm x 12 cm (h x b),198 m3/h

Als Sensor dienen folgende Elemente:

PT 100: Dieser Platinsensor misst die Temperatur des Garraums und ist fest verbaut.

PT 1000: Über eine Klinkensteckerbuchse kann dieser Sensor, die Grillgut Innentemperaturen ermitteln.

Damit die Regelung des Grills autonom durchgeführt werden kann, wurde ein Regelbaustein an die Komponenten angeschlossen, welcher in früheren Arbeiten bereits gebaut wurde Entwicklung eines Regelbausteins. Da sich das Design sowie die Eigenschaften des Grills mit dem Prototyp geändert hatten, wurde anschließend die Regelung neu angepasst.

Auslegung der Regelung

Die Regelung der Temperatur wurde mit einem Verfahren nach Ziegler und Nichols durchgeführt. Hierbei wird zunächst eine sogenannte Sprungantwort aufgezeichnet. Um das Verfahren anwenden zu können, muss die Sprungantwort (h(t)) einen S-Förmigen Verlauf besitzen, wie die folgende Abbildung.

Anschließend muss an die Steigung der Kurve, eine Wendetangente eingezeichnet werden(rot), da diese zur Bestimmung der Parameter unabdingbar ist. Darauf folgend lassen sich dann die Faktoren, zur Berechnung der Parameter ablesen. Der Parameter „K“ wird durch den stationären Endwert (des blauen Verlaufes) definiert, die Schnittpunkte der Wendetangente an der Abszissenachse, sowie einer parallel laufenden Gerade auf Höhe des Endwertes, definieren die „Tt“ (Ausgleichszeit) sowie „T“ (Verzugszeit) Abschnitte.

Um die Sprungantwort zu erhalten, wird der Belüftungsventilator auf eine feste Drehzahl eingestellt und der Getriebemotor arbeitet in einem festgelegten Takt. Aufgrund der festen Stellglieder, wird sich eine Endtemperatur im Grill einstellen. Bei Erreichen dieser Temperatur, wird auf Knopfdruck die Förderzeit erhöht, was wiederum zu einer Erhöhung der Temperatur führt. Der Temperaturverlauf, bis zum Erreichen, der mit diesen Einstellungen möglichen, maximalen Temperatur, wird mithilfe eines Computers, sekündlich aufgezeichnet und visualisiert. Damit eine bessere Regelung erzielt werden kann, wurde der Temperaturarbeitsbereich (70 °C – 320 °C) in die drei folgenden Einzelbereiche eingeteilt:

70 °C – 120 °C, 120 °C – 200 °C, 200 °C – 320 °C.

Dies hat den Vorteil, dass die Regelung gezielter auf die einzelnen Bereiche ausgelegt werden kann. Der Grund für diese Vorgehensweise liegt darin, dass mit dynamischen Parametern, eine bessere Regelung erzielt werden soll, im Vergleich zu einem, statischen Parameter. Um eine aussagekräftige Sprungantwort für den jeweiligen Temperaturbereich zu bestimmen, wurde zunächst ermittelt, mit welchem Förderungstakt die höchste sowie niedrigste Temperatur eines jeden Bereiches, erreicht werden kann. Diese Parameter wurden experimentell ermittelt, indem der Grill aufgeheizt wurde, und per Knopfdruck die Förderzeit (Laufzeit des Getriebemotors) geändert werden konnte. Die Pause zwischen den Förderintervallen betrug 10 s. Der Belüftungsventilator arbeitet konstant mit 60 % der maximalen Leistung.

Für die genaue Berechnung der PID Parameter gibt es vorgegebene Formeln, welche in der folgenden Tabelle angegeben sind. Diese Formeln gelten ausschließlich für die Verwendung eines PID-Reglers. Für die Parametrisierung einer anderen Kombination, gibt es weitere Ausdrücke, welche durch Ziegler und Nichols definiert wurden.

Nachdem der Regler neu parametrisiert wurde, konnte der zuvor festgelegte Test durchgeführt und folgendes Ergebnis erzielt werden.

Es ist zu erkennen, dass die Temperatur sehr gut ansteigt und die eingestellten 100 °C ohne Störungen, innerhalb von 10 Minuten erreicht werden. Die Temperatur schmiegt sich langsam an die Soll-Temperatur an, wobei keinerlei Überschwinger entstehen. Anschließend wird die Vorgabe ohne Komplikationen, über den kompletten Zeitraum, mit einer maximalen Abweichung von ±5 % gehalten. Nachdem der Sollwert auf 250 °C erhöht wurde, zeigt sich das gleiche Verhalten, wie im unteren Temperaturbereich. Ein sauberer Temperarturanstieg, ohne Überschwinger, sowie einer maximalen Abweichung von 5 %.

Vergleich der Temperaturverläufe

Da das Testverfahren identisch ist, können die aufgezeichneten Temperaturverläufe direkt gegenübergestellt und verglichen werden.

Die rote Line zeigt die vorgegebene Temperatur von 100 °C, mit Sprung auf 250 °C an. Der grüne sowie blaue Verlauf zeigt das Temperaturverhalten des jeweiligen, in der Legende gekennzeichneten, Grills.

Startvorgang

Vergleicht man die Verläufe im Bereich bis 1800 s ist ersichtlich, dass der Haupert Grill bereits nach 600 s die Solltemperatur erreicht hat. Dies wurde durch einen optimierten Startvorgang erreicht. Eine Regelung auf den Sollwert startet erst, nachdem die Garraumtemperatur 50 °C überschritten hat. Unterhalb dieser Temperaturschwelle befindet sich der Algorithmus in der Aufheizphase.Wird die Grenze von 50 °C überschritten, deaktiviert sich der Heizstab, und die Regelung wird aktiviert. Sollte während der Regelung eine Fehlfunktion auftreten und die Temperatur wieder unter die Grenze fallen, so reaktiviert sich der Heizstab, und die Aufheizphase beginnt erneut. Dadurch, dass der Heizstab in Phase 0 alleine arbeitet, kann Rauchentwicklung vermieden werden. Ebenfalls wurde der Ventilator als Störfaktor ermittelt, welcher die Aufheizzeit des Heizstabes, unnötig verlängert. Zum Zeitpunkt der Pelletzuführung hat der Heizstab eine Temperatur oberhalb von 500 °C, was zu einer sofortigen Entzündung der Pellets führt.

Aufheizverhalten

Die Steigungen der Temperaturerhöhungsphasen sind nahezu identisch. Der Verlauf des GMG Grill ist zwar ca. 3 ° flacher, allerdings ist dies auf die Eigenschaft des Sensors sowie der dicke und Vielzahl an Luftleitblechen zu schieben. Im Vergleich ist der Verlauf des Prototyps als besser zu bewerten, da keine Überschwinger erfolgen und die Soll-Temperatur schneller erreicht wird.

Regelverhalten

Der Haupert Prototyp pendelt mit Abweichungen von maximal 5 % um die vorgegebene Temperatur. Es ist dennoch zu sehen, dass der Verlauf unruhiger ist, als es der GMG ermöglicht. Dieses Phänomen ist darauf zurückzuführen, dass unterschiedliche Bauformen der Temperatursensoren in den Systemen verbaut sind. Im Haupert Prototyp wurde ein Sensor mit einem Durchmesser von 2 mm verbaut, der Green Mountain Grill arbeitet mit einem 10 mm Fühler. Aufgrund dessen fungiert der Sensor, zusätzlich als eine Art Filter, welcher kleinere Temperaturschwankungen glättet, wohingegen der dünnere Sensor jeden kleinsten Temperaturunterschied registriert. Dies hat Vor- und Nachteile. Da die Temperatur erst zum Kern durchdringen muss, ist die Messung mit einem dickeren Sensor träger. Dies hat den angesprochenen Vorteil, dass die Temperatur geglättet wird, allerdings sorgt das auch dafür, dass langsamer auf Temperaturänderungen reagiert werden kann.