Projekt "Steuerung vs. Regelung"
In diesem Arduino Projekt lernst du den Unterschied zwischen einer Steuerung und einer Regelung. Ziel des Projektes ist es, eine programmierbare Lufttemperatur (ich habe T = 21 °C gewählt) in der Umgebung der Schaltung nicht zu überschreiten.
Das Projekt basiert auf dem Temperaturmessungsprojekt und dem Lüfterprojekt. Beide findest du auch auf der Übersichtsseite zu den Arduino-Projekten.
Ergänzend zum schriftlichen Tutorial findest du unten auf der Seite auch noch das zugehörige Video.
Grundprinzip Schaltung und Sketch zum Projekt
Die Schaltung für das Projekt basiert, wie bereits beschrieben, auf dem Temperaturmessungprojekt sowie dem Lüfter-Ansteuerungsprojekt. Durch einen Schalter kann zwischen den Modi „Steuerung“ und „Regelung“ ausgewählt werden.
Im Modus Steuerung kann durch ein Potentiometer (als Spannungsteiler) eine Spannung eingestellt werden, die am Arduino eingelesen wird. Dafür wird das Potentiometer zwischen 5 V und GND am Arduino geschalten und der variable Pin des Potis an den Pin A0 des Arduinos angeschlossen. Der Arduino wandelt diesen Spannungswert über den Befehl analogRead() dann in einen Digitalwert und gibt diesen dann wieder in Form eines Pulsweitenmodulationssignals am Pin 9 aus. Damit wird ein MOSFET angesteuert, der den Lüfter steuert. Mehr Details zur Funktionsweise findest du auf der Seite zum Lüfterprojekt.
Im Modus Regelung wird über den Temperatursensor DHT22 die aktuelle Raumlufttemperatur im Bereich des Systems gemessen. Im Arduino Sketch wird über eine if-Funktion in der void loop () Hauptschleife überprüft, ob diese gemessene Temperatur über dem Soll-Wert von T = 21 °C liegt. Wenn dies der Fall ist, wird der Pin 9 auf HIGH gesetzt. Dadurch wird der MOSFET dauerhaft durchgeschaltet und der Lüfter auf die maximale Drehzahl eingestellt (bei Versorgungsspannung U = 9 V).
Im Folgenden findest du eine allgemeingültige Erklärung was eine Steuerung und was eine Regelung ist. Die einzelnen Fachbegriffe veranschaulichen wir anhand des Arduino Projektes.
Wie funktioniert eine Steuerung?
Eine Steuerung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine sogenannte offene Wirkungskette hat. Das heißt, es gibt keine Rückkopplung im System. Bei einer Steuerung wird ein Wert eingestellt (in unserem System die Versorgungsspannung des Lüfters) und dieser Wert wird unabhängig von allen Umwelteinflüssen gehalten.
Oben siehst du das Steuerungs-Blockschaltbild unseres Systems. Blockschaltbilder stellen ein technisches System einfach und übersichtlich dar. Sie werden in der Regelungstechnik häufig verwendet.
Die sogenannte Führungsgröße in unserem System ist die Drehposition des Potentiometers. Das Poti ist das Stellglied im System. Über dieses kann die Steuerstrecke eingestellt werden. Die Steuerstrecke beeinflusst in einer Steuerung die zu steuernde Größe. Bei uns ist diese zu steuernde Größe der Volumenstrom. Über diesen wollen wir letztlich eine Kühlung des Systems bewirken (Stichwort Konvektion), um somit das Ziel der Lufttemperatur von T = 21 °C im Bereich des Systems zu erreichen. An diesem Beispiel kannst du erkennen, dass die Einhaltung dieses Ziels ohne eine Messung der Temperatur und eine Rückkopplung auf die Steuerstrecke („schalte an, wenn T > 21 °C“) gar nicht so einfach ist, da man sehr genau wissen muss, wie sich das System verhält, um nur anhand der Drehposition des Potis die Temperatur einzustellen. Das ist eine der Schwächen von Steuerungen. Bei einem System mit einer Regelung, auf die wir im Folgenden eingehen, ist dieses Problem gelöst.
Merke: Bei einer Steuerung wird ein technisches System über eine Steuergröße beeinflusst / „eingestellt“. Es gibt also keine Rückkopplung im System. Auf Störeinflüsse kann das System nicht reagieren.
Wie funktioniert eine Regelung?
Eine Regelung hat im Gegensatz zur Steuerung eine Rückkopplung. Das bedeutet, dass das System auf Änderungen „reagieren“ kann.
Die Grundlage dafür ist, dass dem System ein Sollwert vorgegeben wird. In unserem System ist der Sollwert die Temperatur von T = 21 °C, die im Arduino Sketch programmiert ist. Dieser Sollwert wird bei einer Regelung mit einem Istwert verglichen.
Der Istwert wird durch das sogenannte Messglied, in der Regel ein Sensor, ermittelt. Bei unserem System wird der Istwert der Temperatur durch den DHT22 Temperatur-Sensor gemessen, vom Arduino eingelesen und dann im aufgespielten Sketch mit dem programmierten Sollwert verglichen.
Der Arduino ist im System der Regler, der eine potentielle Differenz zwischen Sollwert und Istwert vergleicht. Wenn der Istwert über dem Sollwert liegt, dann gibt der Arduino den Befehl den Lüfter anzuschalten (Pin 9 auf HIGH, MOSFET wird durchgeschaltet). Der Lüfter soll durch den erzeugten Luftstrom die Temperatur im Bereich des Systems dann wieder unter T = 21 °C senken. Die zugehörigen Begriffe in der Regelungstechnik sind dabei Stellgröße (Versorungsspannung des Lüfters) und Regelstrecke (der Lüfter selbst). Die Regelstrecke ist diejenige Komponente im System, welche die sogenannte Regelgröße ändert. Die Regelgröße ist letztlich die Größe, die unser System beeinflussen kann. Bei uns ist die Regelgröße der Volumenstrom, der sich auf die Temperatur auswirkt, die ja vom Sensor erfasst wird. Damit hat sich der Regelkreis dann auch geschlossen.
Ein letzter wichtiger Begriff ist Störgröße. Diese kann dafür sorgen, dass das System „aus dem Gleichgewicht“ gerät und die Regelung eingreifen muss. Bei uns wäre das eine Temperaturerhöhung, z. B. durch die Sonne, die durch das Fenster hereinscheint und das System auf T > 21 °C erwärmt.
Merke: Ein System mit einer Regelung hat eine Rückkopplung. Der Ist-Wert wird ständig an den Soll-Wert angeglichen. Störeinflüsse können so ausgeregelt werden.
Nun kennst viele der wichtigsten Begriffe einer Steuerung und eines einfachen Regelkreises ; ). Weitere spannende und lehrreiche Arduino-Projekte findest du hier: