Entwicklung eines geregelten Wasserstandssystems für die Hochschullehre

Autor:	Denim Hilz
Erstprüfer:	Prof. Göbel
Zweitprüfer:	Prof. Tikhomirov
Wissenschaftliche Unterstützung:	Marc Ebmeyer

Einleitung

Dieser Wiki-Artikel stellt die Masterarbeit

Modellierung, Simulation und Echtzeit-Implementierung eines geregelten Wasserstandssystems mit MATLAB/Simulink und Mikrocontrollertechnik
für praxisorientierte Hochschuldemonstrationen im Rahmen der regelungstechnischen Lehre

vor. Dabei werden Planung, Entwicklung und Umsetzung aufgezeigt und die erzielten Ergebnisse dokumentiert.

Die Regelungstechnik ist eine zentrale Kernkompetenz für angehende Ingenieurinnen und Ingenieure, da sie die Steuerung und Regelung technischer Prozesse vermittelt. Um die oft abstrakte Theorie greifbarer zu machen, eignet sich der Einsatz praxisnaher Werkzeuge wie MATLAB/Simulink und Mikrocontrollertechnik.

Ziel der Masterarbeit war die Entwicklung eines didaktisch einsetzbaren Wasserstandssystems für die regelungstechnische Lehre an der Hochschule Hamm-Lippstadt (HSHL), um Theorie und Praxis miteinander zu verknüpfen.

Die entwickelten Regelungskonzepte basieren auf einem grundlegenden Schema der Füllstandsregelung (Level Control, LC), wie es in Abbildung ?? dargestellt ist. Ziel der Regelung ist es, den Wasserstand eines Behälters auf eine vorgegebene Sollhöhe 𝑤 (z. B. 1 m) zu bringen und dort zu halten. Die Stellgröße 𝑢 beeinflusst den Zufluss, während ein Sensor die aktuelle Ist-Höhe 𝑦 misst. Externe Einflüsse wie eine Wasserentnahme wirken als Störung 𝑑 auf das System und müssen durch die Regelung ausgeglichen werden.

Solche Regelungssysteme sind nicht nur für Lehrzwecke relevant, sondern auch in der Industrie weit verbreitet – etwa zur Vermeidung von Überlauf, Trockenlauf oder unerwünschten Füllstandsschwankungen. Die Planung und Entwicklung des Systems orientiert sich an diesem Grundschema. Quelle?? Keine Ahnung

Das Masterarbeit umfasst:

• die Modellierung des Tanksystems,
• die Simulation des physikalischen Verhaltens und der Auslegung des Reglers mit MATLAB/Simulink,
• sowie die Echtzeit-Implementierung des Reglers auf einem Mikrocontroller.

Durch die Integration von MATLAB/Simulink und Mikrocontrollertechnik wird eine enge Verbindung zu den im Studium vermittelten Lehrinhalten geschaffen.

Fazit und Ausblick

Abschließend werden die zentralen Erkenntnisse dieser Arbeit zusammengefasst, ihre Bedeutung für die praxisorientierte Hochschullehre reflektiert und mögliche Erweiterungen im Rahmen eines Ausblicks vorgestellt.

Zusammenfassung der Ergebnisse

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein geregeltes Wasserstandssystem entworfen, aufgebaut und erfolgreich getestet. Dabei wurden unter anderem

• Sensor und Potentiometer kalibriert und stabilisiert,
• Messwerte analysiert und gefiltert,
• sowie eine Benutzerkonsole zur manuellen Einflussnahme und Visualisierung entwickelt.

Die Systemtests zeigten, dass das Regelverhalten insgesamt stabil ist: Die Sollhöhe wird mit einer Genauigkeit von ±5 mm erreicht, Störungen bis zu 90 % können erfolgreich kompensiert werden. Das Regelverhalten des eingesetzten PI-Reglers entsprach weitgehend den Erwartungen aus der Simulation, wobei Effekte wie Totzeiten, Verzögerungen und schwankende Pumpenleistungen zu leichten Abweichungen führten.

Ein Schwachpunkt liegt in der ungleichmäßigen Förderleistung der Pumpen, wodurch bei einer 100 %-Störung ein dauerhafter Wasserstandsabfall auftreten kann. Langzeittests deckten zusätzlich eine Leckage bei der Wasserstandsmessung auf – der gemessene Wasserstand sank über Zeit, obwohl der reale Stand konstant blieb.

Praktische Relevanz und Anwendung

Das entwickelte System eignet sich hervorragend als anschauliches Demonstrationsobjekt in der Hochschullehre. Es bietet:

• eine interaktive Vermittlung von Regelungstechnik (z. B. PI-Regelung, Überschwingen, Störkompensation),
• eine intuitive Benutzerführung durch Display und Konsole,
• sowie einen modularen, offenen Aufbau mit gut einsehbaren Komponenten wie Pumpen, Sensorik und Steuerung.

Die robuste Konstruktion und das transparente Gehäuse fördern Sicherheit, einfache Wartung und einen direkten Einblick in die Wirkzusammenhänge eines geregelten technischen Systems.

Verbesserungspotential und Ausblick

Trotz des insgesamt erfolgreichen Projektverlaufs bestehen folgende Optimierungsmöglichkeiten:

• Regler-Interface erweitern: Eine Benutzerfunktion zur Änderung der Reglerparameter (z. B. P- und I-Anteil) oder zur temporären Deaktivierung des Reglers erhöht die Flexibilität im Lehrbetrieb.
• Totzeiten realistisch abbilden: Eine Berücksichtigung von Verzögerungen und Totzeiten in der Simulation verbessert die Genauigkeit der Modellierung und Parametrierung.
• Elektrik überarbeiten: Die Not-Aus-Schaltung sollte überarbeitet werden, um die Pumpen nicht über die 5 V-Versorgung des Arduino zu betreiben.
• Messkette abdichten: Undichtigkeiten in der Messleitung müssen behoben werden, um langfristig zuverlässige Messergebnisse zu gewährleisten.
• Zuflussführung optimieren: Die Wasserzufuhr sollte direkt zum Tankboden geleitet und mit einem Rückschlagventil ausgestattet werden, um Totzeiten und Messwertverfälschungen durch Wellenbewegungen zu minimieren.

Das System bietet eine solide Grundlage für zukünftige Demonstrationen und kann dank seines modularen Aufbaus und der Nutzung von 3D-Druck mit geringem Aufwand erweitert oder angepasst werden.