Projekt 41: Temperaturregelkreis
Autoren: Lars Osthoff, David Hötzel
Betreuer: Prof. Göbel
Aufgabe
Erstellung einer Regelung für ein Heizfläche-Lüfter-System. Der Laborversuch ist bereits mechanisch wie elektrisch fertig.
Erwartungen an Ihre Projektlösung
- Darstellung der Theorie
- Entwurf eines Regelkreises
- Recherche zu bestehenden Lösungen
- Systemidentifikation (Übertragungsfunktion der Regelstrecke bestimmen)
- Vergleichen und bewerten Sie verschiedene Regleransätze (2-Punkt, 3-Punkt, P, I, D), Darstellung der Soll-/Istgrößen.
- Programmiersprache: C
- Test und wiss. Dokumentation
- Live Vorführung während der Abschlusspräsentation
Schwierigkeitsgrad
Anspruchsvoll (***)
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Dokumentation
Einführung
Der Temperraturregelkreis ist ein Versuch, mit dem unterschiedliche Reglertypen mit unterschiedlicher Parametrierung analysiert werden können. Zu regeln ist ein 5V Standard Computerlüfter, der indirekt die Heizseite eines Peltierelementes regeln soll. Die Solltemperatur ist über ein Potentiometer frei einstellbar, genau wie die einzelnen Anteile des PID - Reglers über Potentiometer parametrierbar sind.
Versuchsaufbau
Mechanischer Aufbau
Wie man der Abbildung 1 entnehmen kann ist der mechanische Aufbau des Versuches Temperaturregelkreis einfach gestaltet. Von außen erkennt man lediglich die veränderbaren PID-Anteile [2,3,4], den einstellbaren Sollwert [5] in °C, das Peltierelement [5], eine Aluminiumkühlrippe [6], den Lüfter [8] und den NTC-Widerstand [8]. Aus der Abbildung 2 kann man die Verbindung zwischen des Arduinos und des Systems erkennen [1], zusätzlich ist die Spannungsversorgung und der Netzschalter auf der Rückseite [2,3,4]. Anzumerken ist, dass das Poti neben dem Sollwert ohne Funktion ist.
Die komplette Verkabelung verbirgt sich im Inneren des Gehäuses und wird über ein SUB-D Stecker/Buchse System mit dem Arduino verbunden.
Elektrischer Aufbau
Aufgrund der Problematik der vorherigen Dokumentation konnte nur der Klemmbelegungsplan erstellt werden.
| Bauteilbeschreibung | Art des I/O | Pin an Arduino | Pin an Sub-D Buchse | -- | Pin ab Sub-D Stecker | Ziel intern |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ground | GND | 1 | 1 | L0 | ||
| Digital OUT PWM Lüfter-Ansteuerung | Digital OUT PWM | 3 | 5 | 5 | L1 | |
| Analog IN Poti 4 | Analog IN | A3 | 7 | 7 | L2 | |
| Digital OUT LCD | Digital OUT | 4 | 9 | 9 | gelb/tot | |
| Digital OUT LCD | Digital OUT | 5 | 10 | 10 | Display2 orange | |
| Digital OUT LCD | Digital OUT | 6 | 11 | 11 | Display2 rot | |
| Digital OUT LCD | Digital OUT | 7 | 12 | 12 | Display2 grün | |
| Analog IN Temperatursensor | Analog IN | A5 | 16 | 16 | L3 | |
| Analog IN Poti 3 | Analog IN | A5 | 16 | 16 | L3 | |
| LED 1 (Digital OUT) | Digital OUT | 11 | 26 | 26 | L5 | |
| LED 2 (Digital OUT) | Digital OUT | 12 | 27 | 27 | L6 | |
| LED 3 (Digital OUT) | Digital OUT | 13 | 28 | 28 | L7 | |
| Digital OUT LCD | Digital OUT | 8 | 42 | 42 | Display1 blau | |
| Digital OUT LCD | Digital OUT | 9 | 43 | 43 | Display1 gelb | |
| Digital OUT LCD | Digital OUT | 10 | 44 | 44 | Display2 gelb | |
| Analog IN Poti 2 | Analog IN | A1 | 48 | 48 | L9 | |
| Analog IN Poti 1 | Analog IN | A0 | 50 | 50 | L10 |
Zusätzlich kann [hier] der Klemmbelegungsplan als Exceldatei heruntergeladen werden.
Bauteile des Systems
Um einen kleinen Überblick des Systems zu bekommen werden hier im Nachfolgenden die zu Verfügung stehenden Bauteile aufgelistet:
- 5V Computerlüfter
- Peltierelement
- 3 LED's
- NTC-Temperatursensor(Link zu conrad.de)
- 5 Potentiometer
- LCD_Display
- Arduino Uno
Projektziel
Das Ziel des Projekt 41: Temperaturregelkreis ist, dass man die Auwirkung verschiedener Regler in Verbindung mit unterschiedlich großen Regelwerten einfach zeigen kann. Das Peltierelement wird dauerhaft mit 5V DC versorgt, sodass dieses Bauteil stetig volle Leistung abgibt. Durch den steuerbaren Lüfter wird der zuvor eingestellte Sollwert geregelt.
Projektdurchführung
Theoretische Lösung
Regelkreis
Nachfolgend der Entwurf des Regelkreises:
Vorgehen zur Auslegung
Da die Aufgabe ist, eine Reglersteuerung für die Temperaturregelung zu erstellen wurden folgende Schritte durchgeführt, um letztendlich die unterschiedlichen Regler vergleichen zu können:
- Übertragungsfunktion des Systems bestimmt (hier)
- Schwingungsmethode nach Ziegler/Nichols mit Simulink
- Reglerwerte nach Ziegler Nichols
- P: KR:0.6
- PI: KR:0.45 TI:170s
- PID: KR:0.72 TI:100s TD 24s
- Vergleich der verschiedenen Reglertypen: P,PI,PID (hier)
