PID-Regelung mit Microcontroller statt PID?

Diskutiere PID-Regelung mit Microcontroller statt PID? im Espresso- und Kaffeemaschinen Forum im Bereich Maschinen und Technik; Ich habe heute ein günstiges Developer-Board (25 EUR) für die Amtel-Mega-Controller entdeckt, von dem ich annehme, dass man damit eine Gaggia...

  1. emc2

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    Ich habe heute ein günstiges Developer-Board (25 EUR) für die Amtel-Mega-Controller entdeckt, von dem ich annehme, dass man damit eine Gaggia Coffee o.ä. von A-Z steuern könnte:

    [​IMG]

    Daten: LCD-Display, serielle Schnittstelle, 8 KB EEPROM, 2 Eingabetaster, 3 LEDs, zahlreiche analoge und digitale Ein- und Ausgänge, 75mm x 91mm, alle freien Ports auf Steckleisten verfügbar. Programmierung mittels seriellem Kabel. Gibt es auf ebay, der Verkäufer hat aber auch eine eigene Webseite (www.deltawave.de -> Online-Shop -> Gastkundenzugang -> Developerboards -> Atmel AVR -> AVR_DEV_MINI).

    Machbar wäre damit vermutlich: Temperatureinstellung mit hochwertiger Regelstrategie (PID?), Temperaturanzeige, Aufwärmprogramm (d.h. in Aufwärmphase periodisch Pumpe einschalten), automatisches Entlüften, Temperaturprofil loggen, Entkalkungsprogramm, einstellbare Preinfusionszeit, automatisch in der Länge gesteuerter Leerbezug, Wasserstandskontrolle, Espressozähler, automatische Hinweise zur Wartung, volumetrische Dosierung. Da die CPU frei programmierbar ist und zahlreiche analoge und digitale IO-Pins besitzt, könnte man viel mehr machen, als mit einem PID. Und der Spass kostet nur 25 EUR (zzgl. Solid-State-Relais und Sensoren und Kleinkram). Gute Idee oder Wahnsinn?
     
  2. fab

    fab Mitglied

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    Ich habe ein Ähnliches Board hier liegen....
    Machbar ist das sicherlich wenn man Assembler kann ;-)

    aber ich finde das man einen Espresso mit gefühl machen muss und nicht mit steurung, auch wenns ein sehr interessantes Projekt werden könnte!!
     
  3. #3 koffeinschock, 06.05.2007
    koffeinschock

    koffeinschock Mitglied

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    das problem wird sein, daß du einen regelalgorithmus implementieren musst. wenn es nicht schon was fertiges gibt, dann könnte es komplex werden.
    wenn du einen einfachen vergleicher baust, wirst du nicht annähernd eine regelgüte erreichen, wie sie ein pid kann (vorausgesetzt, er ist richtig optimiert)
     
  4. emc2

    emc2 Mitglied

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    Neben Assembler gibt es auch C in Form von avr-gcc und BASIC in Form von der BASCOM IDE. Die Programmierung macht mir keine grossen Sorgen. Regelungstechnik schon eher, zum Glück findet man C-Sourececode für eine PID-Regelung im Netz (z.B. im Buch C Unleashed).
     
  5. #5 apfeltiger, 07.05.2007
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    apfeltiger Mitglied

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    Außerdem wirst Du einen guten Verstärker benötigen, die Spannungen der Thermoelemente liegen bei 40 µV/ºC (Typ T, bei 20 ºC). Die entsprechende Temperatur wird über Tabellen durch Interpolation ermittelt, linear abhänging von der Spannung ist sie nicht über den gesamten Meßbereich.

    Leg Dir am besten ein paar Debug-Heizungen bereit :twisted:

    Hört sich interessant an, aber das gibt es alles bereits fertig in Kleinstausführungen (die Du in der Größe nie hinbekommen wirst), anschlußfertig an 230V und mit allen Einstellmöglichkeiten (Autotune etc).

    Und so spannend ist der Temperaturparameter nun auch nicht. Selber rösten ist sicher interessanter.

    Wie wärs alternativ mit Luftdruckmessung für Dein Kit ? Eigene Wettervorhersage :)
     
  6. Joerky

    Joerky Mitglied

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    Locker bleiben!

    Ich finde das sehr interessant. Hauptsächlich um die Kesseltemperatur zu steuern, denn ein fertiges Teil - und ist es noch so hübsch und klein - ist ganz schön teuer. Wenn es so gehen könnte und der Preis einer Temperaturregelung somit in Richtung 100 Euro oder darunter geht, hätte das Projekt sicher seine Berechtigung!

    Ich mache mir schon lange Gedanken über diese PID-Geschichte - bisher hat mich immer der Preis abgeschreckt.
     
  7. #7 DierdreDipstick, 07.05.2007
    DierdreDipstick

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    Ich denke, das könnte eine interessante Sache sein. Nur: Wozu eigentlich immer PID? Temperaturregelungen mit Zweipunktregler sind doch vollkommen ausreichend! Mit verkleinerter Schalthysterese lässt sich auch damit die Temperaturschwankung vernachlässigbar klein machen und die Regelung ist grenzenlos stabil.
    Dann würde ich eher mein Augenmerk darauf lenken, die Funktionen der Mazzer Mini E zu implementieren (Zwei elektronische Timer mit 0.1s-Abstufung und über Menue einstellbar).

    Gruß, Andreas
     
  8. emc2

    emc2 Mitglied

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    Über Thermoelemente muss ich mich informieren. Analog mit PT100, NTC? Oder ein Element mit digitalem Ausgang wie das DS1820 (1-Wire)? Welches hat die beste Ansprechzeit? Aber grundsätzlich sehe ich kein Problem. Die CPU besitzt für den analogen Weg entsprechende Wandler. Einen externen Verstärker braucht man offensichtlich nicht: Beispielschaltungen kommen mit einem einfachen Spannungsteileraufbau aus, d.h. ein NTC, ein Widerstand, am Eingang des Wandlers (dessen Referenzspannung intern einstellbar ist). Zu klären wäre der Einbauort: wohin mit dem Sensor für gute Ergebnisse?

    Was es anschlussfertig gibt, kann nur einen Bruchteil der erwähnten Funktionen: nur die Temperatur regeln. Kann Dein PID ein Entkalkungsprogramm ablaufen lassen? Die Aufheizung der Silvia-Gruppe mit Leerbezügen beschleunigen? usw.

    Anders als beim gekauften PID kann man Anzeige und Tasten vom Controller trennen. Wie gross der ist, ist letzlich egal. Das Developer-Board ist übrigens 7x9 cm gross.

    Kann man vieleicht bei einem statisches System so sehen, aber bei einer Espresso-Maschine gibt es die Bezüge. Schalthysterese des Reglers ist nur ein Aspekt der Regelstrecke, wichtiger ist in diesem Fall die Trägheit der Regelstrecke (Änderungen der Stellgrösse wirken sich zeitlich verzögert auf die Regelgrösse aus). Diese Trägheit kann man nicht mit verkleinerter Schalthysterese loswerden: um ein zu starkes Schwingen der Regelgrösse - beim Aufheizen, nach Bezügen - zu vermeiden, muss man vorausschauend regeln, d.h. der Regler muss den Abstand vom Sollwert und die Geschwindigkeit der Änderung der Regelgrösse beim Steuern der Heizung berücksichtigen. Das leistet ein Regelalgorithmus vom PID-Typ.

    Das Developer-Board, obwohl es nur 25 EUR kostet, ist teurer, als es sein müsste: Die CPU ist für 4 EUR erhältlich und braucht zusätzlich nur wenige passive Bauelemente. Zur Anzeige der Temperatur würde später auch ein LED-Balken ausreichen, alles andere könnte man über RS232 mit dem Rechner einstellen. Teure Posten sind die Solid-State-Relais und das Netzteil. Es müsste komplett für unter 50 EUR machbar sein. Allerdings fällt die Software nicht vom Himmel und wenn man Zeit in Geld umrechnet...
     
  9. pfeife

    pfeife Gast

    PID Regelung

    Also ich gehöre auch zu den kaffeetrinkenden AtMega Besitzern.
    Meine Überlegungen (auf meine Butterfly bezogen):
    * Messung mit Pt1000, da alles andere bei 120 Grad Celsius endet - zu wenig Reserve, nichtlinear. Schau dir das mal an: "http://cctools.hs-control.de/ext_index.php?artikel=1401"
    * Regelung selbstgestrickt nach dem Motto: ja näher bei der Solltemperatur desto weniger Heizleistung, das müßte man in einer Tabelle ablegen können und spart Rechenaufwand
    * Phasenpaketsteuerung mit TRIAC erspart komplexe Filter
     
  10. #10 DierdreDipstick, 07.05.2007
    DierdreDipstick

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    Bei der Espressomaschine gibt es sowohl im Meßglied, als auch im Stellglied erhebliche Totzeiten, die Deine Hoffnung, man könne da während des Bezuges konstant etwas regeln, zunichte machen. Das Vorhaben mag vielleicht gelingen, wenn Du die Temperaturregelung aller thermischen Kapazitäten entledigst. Das wäre dann das Prinzip des Durchlauferhitzers, wie man es beim Thermoblock findet.

    Fast alle Espressomaschinen hier im Board (inklusive der CC) folgen dem anderen Prinzip: Möglichst große Wärmekapazitäten, die im stationären Betrieb (langsam) gegen eine konstante Temperatur streben und möglichst wenig durch einen Bezug aus der Ruhe gebracht werden. Da kann man keine Ausregelung von Temperaturstörungen während des Bezuges vornehmen.

    Gruß, Andreas
     
  11. emc2

    emc2 Mitglied

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    Re: PID Regelung

    Was meinst Du damit (die Heizung mit Triac analog steuern statt durch die Frequenz des Ein- und Ausschaltens?)
     
  12. emc2

    emc2 Mitglied

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    Du hast mich missverstanden: es geht nicht um die Zeit während des Bezug, sondern um die Zeit nach dem Bezug (wenn das System anfängt, zu schwingen) und beim Aufheizen (Überschwingen der Regelgrösse). Dass die durch den Bezug verursachte Absenkung und die dadurch verursachte Schwingung der Temperatur bei grossen Maschinen kleiner ist, ist klar, solche Maschinen profitieren dann im Betrieb nicht so sehr von einer PID-Regelung.
     
  13. pfeife

    pfeife Gast

    PID Steuerung

    Meines Wissens gibt es 2 Möglichkeiten mit einem TRIAC die Leistungsmenge zu steuern:
    * Phasenanschnittsteuerung wie beim Dimmer; die benötigt an den Verbraucher angepaßte Filter, damit im Netz nicht zuviel Mist hineinkommt. Bei Glühlampen und Heizungen kein Problem. Man muß halt nur "ausrechnen" wann man einschaltet. Entweder per Software oder passendem Timer.
    * Entsprechende Menge an Phasen durchlassen (also Verhältnis von Ein- zu Ausgeschaltet steuern). Hier wird IMMER im Nulldurchgang eingeschaltet, daher keine Filter notwendig und es gibt auch passende Optokoppler, daher einfachere Schaltung.
     
  14. #14 DierdreDipstick, 07.05.2007
    DierdreDipstick

    DierdreDipstick Mitglied

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    Gerade da liegt der Vorteil des Zweipunktreglers: das Stellglied schaltet ab, wenn die obere Grenztemperatur erreicht ist. Bei einem PID-Regler, der (real) mindestens zwei Zustandsgrößen besitzt, ist das nicht zwingend der Fall. Die Threads bezüglich der Einstellung des PID-Reglers zeigen, daß es dort Schwingungsprobleme gibt. Ich bin mir sicher, die meisten PID-Regler in Espressomaschinen sind derart konservativ eingestellt, daß das Aufheizen der Maschine verlangsamt wird.
    Das, was pfeife da beschreibt, führt jedenfalls zu einem reinen P-Regler.

    Gruß, Andreas
     
  15. pfeife

    pfeife Gast

    PID Regelung

    Meine Anforderung an einen Regler ist das "Überheizen" garantiert zu verhindern. Ich akzeptiere lieber eine längere Aufheizphase als einen verbrühten Kaffee.

    Man könnte ja bis zum ersten Erreichen der Solltemperatur mit voller Leistung heizen und dann mit einer Regelung konstant halten.

    Ich galube, daß das Problem all dieser Temperaturregler in der langsamen Ansprechzeit liegt, die in der Software zu berücksichtigen wäre.

    Wenn ein PT1000 (ich fantasiere mal) 0.5 Sekunden braucht, um die neuen Temperaturverhältnisse (bei wenigen Grad Änderung) wiederzugeben (üblicherweise versucht man etwa 3 mal den gleichen oder einen sehr ähnlichen Wert im Programm einzulesen um Fehlmessungen auszuschließen), bis die Temperaturänderung in all dem Kupfer zum PT1000 gekommen ist, sich die Erhitzung wieder ausgebreitet hat, ist in Böhmen ein ganzes Viertel untergegangen.

    Also um mal irgendwas zu sagen: wahrscheinlich dauert es vom Absinken der Temperatur um ein Grad bis zum Aufheizen um dieses Grad 1 Sekunde. Und es ist fraglich ob diese Genauigkeit von einem Grad wegen der Trägheit des Kupfer erreichbar ist.
     
  16. emc2

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    @DierdreDipstick
    Wenn der PID-Regler richtig ausgelegt ist, sollte er für eine Boiler-Heizung immer besser sein, als der von Dir gelobte Zweipunktregler: gezielteres, schnelleres Anfahren des Sollwertes und geringere Abweichung davon. Das ist hier aber nicht der richtige Ort für solche Diskussionen, ich verweise deshalb nur auf http://de.wikipedia.org/wiki/Regler
     
  17. #17 DierdreDipstick, 07.05.2007
    DierdreDipstick

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    Re: PID Regelung

    Bei all den Wärmekapazitäten im System, ist die des Kupfers im PT1000 sicher zu vernachlässigen. Man stelle sich das mal real vor: An einer Stelle wird dem System Energie zugeführt, der Heizung. Diese überträgt die Energie in Form von Wärme dem sie umgebenden Wasser. Durch freie Konvektion macht sich eine Blase erhitzten Wassers auf in Richtung Kesselwand. Dort gibt sie ihre Wärme teilweise weiter an die Kesselwand, auf deren anderer Seite ein PT1000 darauf wartet die Erhitzung zu detektieren. Die immense Totzeit wird jedem sofort klar.

    Was bringt da ein PID-Regler, der diese Totzeit berücksichtigen muss? Bei einem Zweipunktregler mit Hysterese wird die mittlere Temperatur des Wassers sicher zwischen den Schaltpunkten liegen. Wie stark sie noch schwankt, liegt an Heizleistung, Wärmekapazität und -übertragung.

    Gruß, Andreas
     
  18. emc2

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    Re: PID Regelung

    Von welchem "Problem" reden wir? Eine Brewtus mit enger Zweipunktregelung hat eine Schwankung der Regelgrösse von 5-8 Grad. Eine Brewtus mit PID hat eine Schwankung der Regelgrösse von etwa 1 Grad (Quelle: Brewtus Compendium). Ein Grad Abweichung kann man kaum als Problem bezeichnen. In einen Controller kann man den besten Algorithmus laden, den man findet, das kostet keinen Cent mehr (sofern 32 KB Programmspeicher und 16 Mips dafür ausreichen).
     
  19. #19 DierdreDipstick, 07.05.2007
    DierdreDipstick

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    Re: PID Regelung

    Und eine DC-Mini mit Zweipunktregler?
     
  20. emc2

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    Re: PID Steuerung

    Die Heizung soll nicht mit variabler Spannung über einen TRIAC angesteuert werden, sondern über ein elektronisches Relais (SSR): an oder aus. So wird es anscheinend immer gemacht. Ich weiss nicht, warum.
     
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PID-Regelung mit Microcontroller statt PID?

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