PID-Regelung mit Microcontroller statt PID?

Diskutiere PID-Regelung mit Microcontroller statt PID? im Espresso- und Kaffeemaschinen Forum im Bereich Maschinen und Technik; Hallo, Ob 2 Punkt oder 3 Punkt, Pid oder PD. Es dauert ca 2 minuten bis sich die Temperatur eingepegelt hat. (Rancilio Silvia) Habe...

  1. #41 Dirk2/3, 08.05.2007
    Dirk2/3

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    Hallo,
    Ob 2 Punkt oder 3 Punkt, Pid oder PD.

    Es dauert ca 2 minuten bis sich die Temperatur eingepegelt hat.
    (Rancilio Silvia)

    Habe intensiv recherchiert und es scheint der Watlow Regler (PID) am
    schnellsten zu regeln. Unter 2 minuten.

    Selber programmieren ist sicher spannend, aber soll das nachher dann in Serie gehen. Ich hätte lustigeres zu erledigen.


    Aber selbst 1 Minute Regelzeit finde ich schon lästig, wenn ich dazu addiere das erst noch entlüftet werden muß nach dem Milchschäumen usw.

    Bei dem Aufwand frage ich mich, ob ich ein Institut betreiben möchte oder eine Espressomaschine.



    Gruß
     
  2. emc2

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    Hat diese Märchenstunde irgendwann ein Ende? Der grosse (nicht marginale) Vorteil des PID-Reglers gegenüber dem Zweipunktregler ist, dass die Störgrößenausregelung des Reglers optimiert werden kann, weil eine Anpassung an das Zeitverhalten der Regelstrecke möglich ist. Der Zweipunktregler ist in dieser Hinsicht prinzipiell unterlegen. Die Gaggia ist eine schwierige Regelstrecke mit unregelmässig aufgezwungenen Störungen durch Bezüge, ein Zweipunktregler wäre eine völlig unangemessene Lösung. Ein PID-Regler lässt sich dagegen gut in seiner Sprungantwort einstellen.

    Vergleiche die Boiler-Aufheizzeiten der Brewtus durch einen elektronischen Narrow-Band-Zweipunktregler mit der Aufheizzeit derselben Maschine durch einen PID (Grafiken) und Du wirst festellen, dass diese Behauptung nicht zutrifft. Man beachte in diesem Zusammenhang, dass die Aufheizphase keine Phase kontinuierlichen Heizens ist, auch bei Narrow-Band-Thermostat nicht, weil der Messfühler wiederholt auf Solltemperatur kommt und dann durch Wärmefluss in die kalte Maschine wieder abkühlt.
     
  3. #43 Dirk2/3, 08.05.2007
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    Solange ich Aufheize mag das stimmen, aber wenn ich von "Oben" abkühle müsste ich auch eine Kühlung hinzufügen.
    Darin liegt das Dilemma.
    Ich muss immer erst runterkühlen manuell um dann automatisch hochzuheizen.

    Also im Grund halbautomatisches PID.

    Wenn ich dann den Punkt der richtigen Temperatur treffen will, schaltet die Heizung kurz vorher mit so derart geringen Impulsen, das am Ende eine Ewigkeit vergeht, bis die Temperatur getroffen ist.
    Die Entscheidung einen leichten Überschwinger zu riskieren, der sich dann auf Solltemperatur runterkühlt kann im besonderen Fall sogar schneller sein.
    So oder so.

    Es dauert zu lange und der Aufwand ist zu groß.
    Ein entscheidender Vorteil ist allerdings nicht von der Hand zu weisen:
    Der sehr geringe Stromverbrauch im Standbetrieb.


    Gruß
     
  4. #44 DierdreDipstick, 08.05.2007
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    Danke für die Märchenstunde. Du bist Student gell? Das liest sich hier alles, als ob Deine Ohren selbst von vorne grün sind. Jetzt mal raus mit der Sprache: an wie vielen realen Reglern hast Du schon gearbeitet? Das Resultat ist, was zählt!

    Wo ist bitteschön die Gaggia schwierig? Ein Heizelement, ein Alukessel, ein Thermostat. Mehr nicht! Während des Bezuges kann man keine der hier erwähnten Maschinen regeln. 99,9% aller Einkreismaschinen arbeiten mit einem Zweipunktregler. Selbst bei La Marzocco ist das Standardausrüstung. Da kommst Du daher und behauptest, das sei eine völlig unangemessene Lösung!
    Die Gaggia ist selbst mit den 9 Grad Schalthysterese noch eine akzeptable Espressomaschine, oder nicht? Wieviel besser wäre das mit 2 Grad Schalthysterese?

    Eben nicht, Du betreibst hier Märchenstunde. Lass doch mal die Brewtus weg. Vielleicht ist Dir aufgefallen, daß dort entweder Brüh- oder Dampfkessel aufgeheizt werden (Soviel zum Thema Messfühler auf Solltemperatur!).
    Ein Zweipunktregler stellt beim Aufheizen das Maximum dar. Ein PID-Regler kann nicht schneller sein! Kann das nicht auch der besserwisserigste Student irgendwann kapieren?

    Aber im Grunde genommen ist es mir egal. Mach doch, was Du willst! Dann steck' doch ein Heidengeld ins PIDen. Nimm das Geld lieber und kauf Dir eine gebrauchte Gastro, Faema Compact zum Beispiel. Der Aufwand dafür kann kaum größer sein, als Dein Vorhaben und an das Ergebnis kommt selbst die aufgepimpteste Gaggia nicht heran, weil Ihr einfach die thermische Masse fehlt, um über einen Doppiobezug die Temperatur absolut konstant zu halten!

    Gruß, Andreas
     
  5. emc2

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    Das "schwierig" bezieht sich (natürlich) nicht auf die Anzahl der Teile, sondern auf die Regelsituation: Die ist schwierig, weil die Temperatur der Gaggia durch Bezüge dramatisch gestört wird. Zwei Espressi mit Vorwärmen und der kleine Boiler (ca 150 ml) wurde komplett mit Frischwasser gefüllt. Dazu kommt das Problem mit dem Dampf beim Einkreiser: Das Aufheizen für den Dampf und die anschliessenden Kühlbezüge sind dramatische Störgrössen. Die Regelung muss viel mehr tun, als bei einer grossen HX-Maschine. Und das ist die erwähnte "schwierige" Situation.

    Deine Erregung in allen Ehren, aber Du irrst. Die Aufheizphase ist keine Phase kontinuerlichen Heizens, weil der Regler auf ein Szenario trifft, in dem es grosse Wärmeflüsse gibt: am Messpunkt wird schnell die eingestellte Temperatur erreicht aber kurze Zeit später sorgt der Wärmestrom in die noch kalten Teile der Maschine dafür, dass weiter geheizt werden muss.

    Ein Zweipunktregler schaltet in seiner Dummheit stur an und aus: Volle Kraft oder gar nichts. Wenn man das mit Autofahren vergleicht, wäre das so, als ob man das Lenkrad immer komplett nach links oder rechts reisst. Wenn man durch eine sanfte Kurve fahren will, ist das nicht die optimale Strategie. Das Aufwärmen einer Maschine ist im übertragenen Sinn diese Kurve.

    Ein PID-Regler fährt eleganter durch. Er berücksichtige auch in dieser Phase das Zeitverhalten der Regelstrecke und dosiert die zugeführte Wärmeleistung entsprechend durch hochfrequente Schaltvorgänge. Er ist in jeder Sekunde besser Herr der Lage, als ein Zweipunktregler. Und das summiert sich am Ende zu einer kürzeren Aufheizzeit.

    Gibt es die tatsächlich irgendwo für 25 EUR?
     
  6. #46 chelonae, 08.05.2007
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    Moin,

    öhm, doch... Mit Reglern hatte ich echt noch nix am Hut, nur mit dem stumpfen Messen kleiner Spannungen und ein paar Matrixjonglagen... Der Laie war aber auch vornehmlich auf meinen letzten Absatz gemünzt, wo ich der Elektrofraktion ein paar weise Worte abtrumpfen wollte. 8)

    Wenn ich meinen Ofen hochfahre, ist das interessanterweise eigentlich schon so -- die erste Heizpause nach dem morgendlichen Hochheizen ist nur gut 10% kürzer als diejenigen, wenn schon ein paar Betriebsstunden ins Land gegangen sind...

    Ich weiß ja nicht... Ein Zweipunktregler gibt bis zum Erreichen einer bestimmten Temperatur Vollgas, ein "gewöhnlicher" PID würde vorher ein wenig ängstlich abbremsen, um nicht über's Ziel hinauszuschießen. Sollte doch am Ende eher länger dauern, bis Letzterer sich sicher ans Ziel getastet hat, oder?

    Studentische Grüße 8)
    Martin
     
  7. #47 chelonae, 08.05.2007
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    Ach,

    nochwas: Bei meiner zweikreisigen Grimac habe ich auch die Beobachtung gemacht, daß anfangs die Heizipausen sehr viel kürzer sind -- vielleicht liegts auch an der kleineren Kesselgröße, der höheren Zieltemperatur, dem anderen Kesselmaterial oder der Tatsache, daß dort ein Wasser/Luft-Gemisch vorliegt!? Naja egal, will man eine solche Kiste schnell auf Temperatur bringen, wäre es vermutlich gar das Sinnvollste, die erste Heizphase ein wenig über's Ziel schießen zu lassen, oder? Zumindest stelle ich mir dann vor, daß dadurch auch die letzten Winkel des Systems schneller erhitzt würden. Also böte ein Eigenbauregler an dieser Stelle durchaus ein interessantes Optimierungspotential...

    Gruß
    Martin
     
  8. #48 koffeinschock, 08.05.2007
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    also...der pid-regler und der 2-punktregler schenken sich nichts, in der aufheizphase. beim pid-regler macht das der differentielle anteil, welcher zu beginn (eben, um es laienhaft auszudrücken, wenn eine hohe differenz zwischen soll- und isttemperatur herrschen) voll aufdreht. wenn man es genau nimmt, dann ist der pid-regler (wie jeder kontinuierliche regler) dem zweipunktregler überlegen, wenn er korrekt auf die umgebungsbedinungen und eventuellen störgrössen optimiert ist. denn kurz vor dem erreichen der gewünschten temperatur, nimmt er schon heizleistung raus, um ein überschwingen zu verhindern. der 2-punktregler wird dagegen über das ziel hinausschießen und braucht dann wegen der konvektionskühlung eine ganze weile, bis er innerhalb der hysterese arbeitet.
    es geht übrigens noch "besser" denn es gibt regler, welche die änderungsgeschwindigkeit des istwertes mit in ihre berechnungen hineinziehen, um eine stabilere reglung zu garantieren.

    temperaturreglungen sind übrigens, vom regelverhalten her, die komplexesten reglungen, die es gibt. selbst wirklich gute mathematiker tun sich schwer, das ganze zuverlässig zu berechnen.


    ps: wie wäre es, wenn sich die erhitzten gemüter einen ordentlichen espresso gönnen und nochmal mit einem etwas ruhigeren ton an die sache rangehen?
     
  9. #49 koffeinschock, 08.05.2007
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    hier schneidest du aber wieder ein ganz anderes problem an: der zweikreiser ist nämlich druckgeregelt. eine temperaturreglung an einem zweikreiser ist nicht unbedingt das gelbe vom ei.
    klar sind die pausen bei kalter maschine kürzer: du heizt das wasser auf, der betriebsdruck wird erreicht, nimmt aber wesentlich schneller ab, weil die maschine noch ein hohes dt im inneren hat, sie also mehr wärme an die umwelt abgeben kann
     
  10. #50 chelonae, 08.05.2007
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    Moin,

    jetzt muß ich doch nochmal den Laien rausholen... :D Was ist denn "ein hohes dt"?

    Mit fällt bei der Gelegenheit auch gerade auf, warum bei einem HX nen Pressostat wirklich unschlagbare Vorteile gegenüber einem thermischen Regler hat: Wenn irgendwo im System ein Teil des Wasser/Luft-Gemisches abkühlt, wird sofort an jeder Stelle innerhalb des System der Druck entsprechend gefallen sein. Bis sich das Abkühlen hingegen thermisch "herumgesprochen" hat, dauert's ne Ewigkeit. Gerade bei mehrgruppigen Kisten müßte man wohl zig Thermofühler über die volle Kessellänge verteilen, um ein nur annähernd so gutes Reaktionsverhalten zu erhalten -- mal ganz abgesehen von dem Fall der Dampfentnahme. Wieder was gelernt... :idea:

    Gruß
    Martin
     
  11. #51 koffeinschock, 08.05.2007
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    in der tat..das hast du richtig erkannt - deswegen ist das ja so eine geniale lösung: mit minimalem aufwand mehrere fliegen mit einer klappe geschlagen!!
    der einzige nachteil ist eben der statische zustand des hx, also wenn die maschine im leerlauf ist...


    sorry wegen dem fachchinesisch - dt=delta t, temperaturdifferenz ;)
     
  12. #52 apfeltiger, 08.05.2007
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    Ich las weiter oben es soll für die CC sein. Die hat doch nur einen 100ml Boiler. Ob da eine Regelung sinnvoll ist bezweifle ich wirklich.
     
  13. #53 DierdreDipstick, 08.05.2007
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    Ich widerspreche Dir ja ungern, da Du

    a) sachlich argumentierst, und
    b) Ahnung zu haben scheinst.

    Aber: Der D-Anteil steigt sprunghaft an, wenn sich die Regeldifferenz vergrößert. Am Temperatursollwert ändert sich bei der Espressomaschine gar nichts, die Regelgröße selber bleibt zunächst mal konstant (der Meßstelle gegenüber) - ergo: D-Anteil ist 0. Wenn die Regelgröße beginnt zu steigen, ändert sich der D-Anteil zwar, aber er nimmt die Stellgröße zurück, oder denke ich jetzt falsch (das andere wäre ein Allpass)? Das einzige, was während dieser Phase ansteigt, ist der I-Anteil und der wächst so lange, bis die Regeldifferenz 0 ist. Deswegen kann man den nicht so hoch machen, da der Regler grenzenlos übers Ziel schießen würde. Und der P-Anteil wird bekanntlich mit der fallenden Regeldifferenz kleiner. Nimmt also auch die Leistung der Heizung zurück.
    Um wieviel der Zweipunktregler überschwingt, vermag ich nicht zu sagen, aber so viel kann es nicht sein. Fest steht nur: Er heizt bis zum Erreichen der Solltemperatur mit voller Leistung. Und schneller geht's nicht.

    Habe ich grade gemacht. Nur: was soll emc2 machen? Er hat ja keine geeignet geregelte Espressomaschine :wink:

    Gruß, Andreas
     
  14. emc2

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    Wo ist der Zusammenhang? Es geht darum, dass der Anwender eine Temperatur einstellen kann und sich beim Druck auf den Knopf darauf verlassen kann, dass die Temperatur erreicht ist, ohne von der Heizungslampe zum Affen degradiert zu werden (err, Termperatur-Surfer). Übrigens haben kleinere Maschinen von Gaggia komischerweise schon eine Microcontroller-Steuerung, z.B. die K111D, inklusive elektronischem Temperaturfühler und Flowmeter.
     
  15. #55 chelonae, 08.05.2007
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    Moin,

    nochwas habe ich heute gelernt...

    Auch bei menschlichen Gemütern müssen hin und wieder die Parameter der komplizierten Regelalgorithmen nachjustiert werden, neigen sie doch manchmal zu kleinen Überschwingern... :idea:

    Aber jetzt ham sich wieder alle lieb, oder? :D

    Gruß
    Martin
     
  16. emc2

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    Der Pressurestat liefert aber für eine gute Regelqualität nur unzureichende Information, nämlich "zu niedrig" oder "zu hoch". Über einen elektronischen Temperatur-Sensor erhält der Regler einen absoluten Wert der Wassertemperatur und kann die notwendige, optimale Stellgrösse genau berechnen. Dazu kommt, dass ein Pressurestat zwar eine im Vergleich zu Thermostaten gute Hysterese und Genauigkeit bietet, aber eben keine sehr gute: Es ist ein mechanisches Bauelement. Was bei Mechanik zu erwarten ist, kann man den Temperatur-Kurven im Brewtus-Kompendium entnehmen. Der Pressurestat macht dort eine erschreckende Figur. Alles in allem ist es ein bewährtes Teil, aber eher ohne "unschlagbare Vorteile".

    Wenn ich mich nicht irre, wurde in einem anderen Thread (DC Mini?) erwähnt, dass es 1-2 Sekunden dauert, bis das Boiler-Thermoelement die Dampfentnahmne bemerkt. Kann es sein, dass Du die Elektronik unterschätzt?
     
  17. #57 apfeltiger, 08.05.2007
    apfeltiger

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    Der Zusammenhang ist, daß die 100ml schön auf ein Zehntel Grad eingestellt werden, beim Bezug jedoch die Hälfte des Boilerwassers ausgetauscht wird. So schnell wird da nichts nachgeregelt.
     
  18. emc2

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    Und wieso macht dieser Zusammenhang den Wunsch, eine konkrete Ausgangstemperatur zu haben, sinnlos? Ist es unter solchen Umständen nicht doppelt so wichtig, eine gut geregelte Ausgangstemperatur zu haben und nicht zufälligerweise am unteren Ende eines schlecht geregelten Temperaturzyklus einzusteigen?

    Die Frage ist, ob man könnte, wenn man wollte? Der normale Thermostat ist offensichtlich zu langsam, er löst erst aus, wenn es zu spät ist (und dann möglicherweise zu stark). Aber wenn ein Controller den Brühvorgang auslöst, dann weiss er sofort, dass Wasser fliest und kann kontrolliert/gepulst Wärme zuführen.
     
  19. #59 koffeinschock, 08.05.2007
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    also zuallererst folgendes: auch ich mache fehler, lasse mich zwar ungern berichtigen, aber auch ich lerne daraus - von daher kann ich ohne probleme sagen, daß ich gegen widerspruch nichts einzuwenden habe.

    ich glaube, du betrachtest die sache aus einem...ungewöhlichen blickwinkel. die parameter des reglers verändern sich ja nicht. betrachtest du das ganze vom einschalten des reglers bei raumtemperatur und einem vorgegebenen sollwert von 100grdc, ergibt sich aus meinem blickwinkel eine andere sichtweise: die sprungantwort des reglers auf diese änderung der zustände sieht dann wie folgt aus: ein nadelimpuls vom d-anteil, gefolgt von einem "haken" nach oben, welche die antwort vom pi-anteil darstellen (der i-anteil läuft schließlich ins unendliche um die bleibende regelabweichung des p-regler-anteils auszuregeln)
    schau mal hier: http://www.ewetel.net/~g.kallweit/aufg-db-2006/loes/tz/regel_t/tzl1426.html

    der zweipunktregler macht einen großen fehler (sofern man im zusammenhang eines mechanischen gerätes von sowas reden kann): er heizt mit 100% bis zum erreichen des zweiten schaltpunktes (nehmen wir einfach mal 100grdc an) - und was ist mit der energie, welche in der heizung noch gespeichert ist? die ist ja nicht einfach weg, sondern wird kontinuierlich ins wasser abgegeben, bis das energieniveau von wasser und heizung gleich ist (und dann wäre da noch die abgabe von wärme per konvektion usw. usf). auch beim zweikreiser merkst du das: wenn meine office bei 1.1 bar die heizung rausnimmt, läuft der druck noch hoch bis 1.15-1.2 - also eine beträchtliche menge energie. wenn du jetzt den thermostaten in unserer ersten betrachtung nimmst, würde der evtl. bis 106grdc heizen - der schaltpunkt für das wiedereinschalten wäre meinetwegen bei 94grdc - ein dt von 12K, wenn man das überschwingen immer in diesem maße hätte. das ist mal eine toleranz, über die es sich nachzudenken lohnt, sie zu eliminieren (ich würde einen thermostaten mit einer geringeren hysterese nehmen, mit allen nachteilen, die er hat - verschleiß der kontakte usw. oder einen dreipunktregler - das ist aber im einstiegssegment der maschinen halt auch eine frage der kosten...)

    @emc: bei einem kleinen boiler müsste die heizung wesentlich leistungsfähiger sein, um das einströmende wasser und die daraus folgende vermischung und abkühlung auszugleichen - der apfeltiger spricht aus erfahrung - auch sein pid kann nicht verhindern, daß zum ende eines bezuges die temperatur absackt ;)
    um aber eine solche heizung korrekt auszulegen müsste man sich das ganze thermodynamisch ansehen - ahnung hin oder her - dafür bin ich ein zu kleines licht ;)
    mit deiner schlußfolgerung hast du natürlich recht - du brauchst nicht mehr irgendwo reinzusurfen oder auf gut glück einzusteigen und zu hoffen, daß die temp beim anfang des bezuges zu hoch oder zu niedrig ist.


    edit: liest das alles überhaupt jemand? :twisted:
     
  20. #60 Dirk2/3, 08.05.2007
    Dirk2/3

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    @emc2

    Es ist scheinbar nicht so wie es logischerweise herbeigeredet wird.
    ein PD/PI Zweipunktregler arbeitet durchaus feinfühlig und tastet sich vorsichtig an die Solltemperatur heran. (Beispiel Gossen Metrawatt 2400).

    Also gibt es da durchaus Logarithmen die Nicht Pid aber 2 Punkt trotzdem
    zufriedenstellend arbeiten.

    Dumm ist aber da auch völlig übertrieben, denn ohne Hirn einfach Null
    Nachdenken, dumm hiesse, ja da gäbe es etwas zum Beurteilen, das denkt. Das hat an anderer Stelle jemand bereits erledigt, mit Hirn. :lol:
    Gruß
     
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PID-Regelung mit Microcontroller statt PID?

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