Temperaturregelung für Heizplatte

[Arcalon]

Hallo,

ich möchte eine Temperaturregelung einer Heizplatte entwerfen. Im Moment wird sie lediglich gesteuert und heizt unkontrolliert auf. Die Anforderung an die Temperaturregelung ist, bestimmte Temperaturen zu halten.

Genaue Daten zur Heizplatte liegen mir im Moment leider nicht vor, aber ich werde sie nachtragen. Es geht mir in diesem Thread jedoch mehr um den Weg.

Zur Wahl des Reglers habe ich mir überlegt, dass wohl ein PI-Regler ausreichen müsste. Denn die Heizplatte ist recht träge, dadurch ist ein D-Anteil überflüssig. Ich fordere jedoch eine möglichst geringe Reglerabweichung, also stationäre Genauigkeit, und dadurch brauche ich den I-Anteil. Der P-Anteil muss ja nur die Abweichung verstärken, damit ich eine sinnvolle Stellgröße an der Regelstrecke habe.

Die Heizplatte wird bis zu Temperaturen von 200°C angefahren.
Das bedeutet für das Messglied, den Temperatursensor, die Auflage, im Bereich bis zu 200°C ein lineare Kennline zu haben. Ich meine, dass man sowas finden kann.

Die Heizplatte, also die Regelstrecke, ist im Moment eine große Black-Box für mich. Wie kann ich nun das Übertragungsverhalten der Heizplatte ermitteln?
Mir fällt kein Weg ein, wie ich eine Sprungantwort aufnehmen könnte. Kann man hier sinnvolle Vereinfachungen treffen, wie z.B. PT1-Glied (warum auch immer PT1)?

Gruß, Arcalon

[Besserwessi]

Zum ausmessen der Heizplatte halt die Sprungantwort, oder alternativ die Pulsantwort aufnehmen. Für den Puls die Platte einmal kurz für z.B. 1-5 s anschalten, für die Sprungantwort müßte man eine reduzierte Leistung (z.B. 24 V statt 230 V) dauerhaft anlegen.

Heizplatten sind ja nicht so was ungewöhnliches, da sollte sich eine passende Näherung finden. Dabei ist aber auch entscheidend wo die Temperatur gemessen wird.

Gerade wenn die Platte eher Träge ist wäre ein PID Regler eventuell nötig. Der PID Regler ist vor allem schneller als ein PI Regler.

[malthy]

Hallo,

Wie wird denn das Stellglied - also die Heizplatte - aktiviert? Hast Du einen Steuereingang über den Du mittels eines Niederspannungssignal die Aktivierung vorgeben kannst? Die Heizplatten, die ich aus dem Labor kenne verfügen nämlich meist über schlichte Zweipunktregelungen und somit schaltet deren Steuereingang meist auch nur ein und aus. Das hängt aber natürlich Modell ab... Das wäre aus meiner Sicht mal eine der ersten Fragen, bevor man zur Problematik der eigentlichen Regelung übergehen kann.

Gruß
Malte

[Arcalon]

@Besserwessi

Gerade wenn die Platte eher Träge ist wäre ein PID Regler eventuell nötig. Der PID Regler ist vor allem schneller als ein PI Regler.

Du meinst wohl, damit keine großen Überschwinger entstehen ist ein D-Anteil sinnvoll. Schnelligkeit ist natürlich auch wichtig. Jap, hast Recht

@malthy

Wie wird denn das Stellglied - also die Heizplatte - aktiviert? Hast Du einen Steuereingang über den Du mittels eines Niederspannungssignal die Aktivierung vorgeben kannst?..

Ich vermute, dass die Leistung variabel ist, es sich also nicht um eine Zweipunktregelung handelt. Ich werde das aber noch in Erfahrung bringen.

Weiters werde ich die Sprungantwort oder Impulsantwort ermitteln.

Vielen Dank für die Hinweise,

Gruß, Arcalon

[malthy]

Hallo Arcalon,

nur eine persönliche Meinung: wenn es Dir darum geht, die angesprochene Regelung real und funktionierend auf die Beine zu stellen, würde ich versuchen, zunächst mal die allgemeinen technischen Aspekte zu klären. Ich würde eher dort die eigentliche Herausforderung sehen. Wenn Du dann irgendwann auf Softwareebene einen Istwert, einen Sollwert und die Möglichkeit das Stellglied zu aktivieren hast, ist die eigentliche Regelung praktisch nicht mehr so schwer hinzubekommen. Insofern würde ich mir zu diesem offensichtlich frühen Zeitpunkt in Deiner Projektentwicklung noch keine allzu großen Gedanken über die konkreten Übertragungseigenschaften Deiner Regelstrecke machen. Ich habe mehrfach Temperaturregelstrecken aufgebaut, bei mir war es bisher im Endeffekt immer so, dass die Faustformelverfahren zum Parametrisieren weniger gut funktioniert haben, als das manuelle Einstellen des PID-Reglers.

Viele Grüße
Malte

[PICture]

Hallo!

Wie kann ich nun das Übertragungsverhalten der Heizplatte ermitteln? ... Mir fällt kein Weg ein, wie ich eine Sprungantwort aufnehmen könnte.

Das ist das Einfachste ... die kalte Heizplatte (bei minimalster Temperatur) an nominale Spannung anschliessen und die Temperatur messen ...

Die Platte sollte natürlich in "realer" Umgebung arbeiten, also mit "standard" Wärmeabnahme.

MfG

[ranke]

Meistens sieht man Zweipunktregler für Heizplatten. Durch die thermische Trägheit der beheizten Masse ist eine kontinuierliche Regelung normalerweise nicht notwendig. Bei Zweipunktreglern muß man aber darauf achten, dass die Schaltfrequenz nicht zu niedrig wird (sonst schwankt die Temperatur zu stark). Das könnte man zwar prinzipiell dadurch erreichen, dass man den Fühler sehr nahe an die Wärmequelle (Heizwicklung) heranbringt, allerdings hat diese Methode den Nachteil, dass die dort gemessene Temperatur nicht repräsentativ für die Heizplattenoberfläche ist. Alternativ kann man die Frequenz auch durch eine verzögerte positive Rückkopplung im Regelkreis erreichen, die der Hysterese entgegenwirkt. Bei Raumthermostaten findet man z.B. häufig einen kleinen Heizwiderstand nahe am Fühler, der bei Einschalten der Heizung bestromt wird und dadurch trotz Hysterese ein Oszillieren des Reglers erzwingt (selbst wenn die Raumtemperatur konstant bleibt).

Die beschriebene Maßnahme hat noch den zusätzlichen erwünschten Effekt: Ein P (und noch mehr der PI) Regler wird beim ersten Hochheizen typischerweise einen Überschwinger produzieren. Die beschriebene Rückführung wird aber nach einer langen Heizphase entsprechend früher abschalten. Der Effekt ist also in diesem Fall ähnlich zu dem eines D-Glieds.

Zum Übertragungsverhalten der Heizplatte: Die Zeitkonstante der Heizplatte kann man natürlich auch aus der Heizleistung und der Wärmekapazität (aus Masse und spez.Wk) rechnen. Etwas aufwändiger wird es dann, wenn noch eine beliebige Zusatzkapazität aufgeheizt werden muß. Allerdings sollte die Heizplatte ohne Heizgut den kritischsten Fall für den Regler darstellen. Ich hatte schon einmal einen ähnlichen Fall bei dem ich den (analog aufgebauten) Regler zusammen mit dem Ofen (Regelstrecke) in PSpice simuliert habe. Der Ofen war dann eine entsprechende Rückführung auf den Reglereingang mit einer angenommenen Zeitkonstanten. Das ist dann auch in der Praxis ganz brauchbar gegangen.

[malthy]

Hallo Arcalon,

Du hast noch nicht viel zu den technischen "Rahmenbedingungen" Deines Projektes gesagt, deswegen frage ich mal zunächst in dieser Richtung nach, ich glaube da ist erstmal einiges zu klären bevor man sich der Regelung zuwendet. Also:

Wie wird das Stellglied (Heizplatte) aktiviert? Hast Du einen Steuereingang, über den Du die Aktivierung (mehr oder weniger) proportional steuern kannst? Wenn nicht: wird die Heizplatte mit Netzspannung oder Niederspannung betrieben, AC oder DC?

Wie ermittelst Du den Istwert? Hast Du bereits ein Temperatursignal oder musst Du das alles selber bauen? Falls letzteres: egal was für einen Sensor Du verwendest, Du wirst sicherlich eine (mehr oder weniger) kleine Elektronik als Messverstärker benötigen (Einstellung der Verstärkung, Nullpunkt).

Willst Du einen digitalen oder analgen Regler aufbauen? Wenn ersteres, auf was für einer Plattform willst Du den Regler implementieren? In welcher Sprache?

Was ist überhaupt der Temperaturbereich über den Du regeln willst, was ist die angestrebte Genauigkeit?

Naja, das ist erstmal was mir spontan so einfällt - da sind aber sicherliche noch einige weitere Dinge zu klären .

Viele Grüße
Malte

[Arcalon]

Hallo,

vielen Dank für die Antworten.

Nun zu den technischen "Rahmenbedingungen":

Wie wird das Stellglied (Heizplatte) aktiviert? Hast Du einen Steuereingang, über den Du die Aktivierung (mehr oder weniger) proportional steuern kannst? Wenn nicht: wird die Heizplatte mit Netzspannung oder Niederspannung betrieben, AC oder DC?

Die Heizplatte wird mit Netzspannung (AC) betrieben. Weiterhin kann man über einen Steuerung die Stellgröße kontinuierlich steuern. Könnte es sich in so einem Fall immer noch um eine Zweipunktregelung handeln, die mithilfe einer Steuerung auf bestimmte Temperaturen regelt ?

@malthy: Warum schließen sich Netzspannung und Steuereingang aus?

Wie ermittelst Du den Istwert? Hast Du bereits ein Temperatursignal oder musst Du das alles selber bauen?

Ich muss alles selber bauen, aber ich denke das wird nicht so problematisch. Als Sensor werde ich dann wahrscheinlich einen Pt100 verwenden. Diesen könnte ich in einer Viertelbrücke mit 3 weiteren passiven Widerständen verschalten und die Brückenspannung mit einem Instrumentationsverstärker verstärken? Allerdings ist die Übertragungsfunktion doch dann ein wenig nichtlinear.

Willst Du einen digitalen oder analgen Regler aufbauen?

Vorzugsweise analog. Ich kenne mich mit digitalen Reglern in der Theorie nicht so aus, wie mit analogen.

Was ist überhaupt der Temperaturbereich über den Du regeln willst, was ist die angestrebte Genauigkeit?

Der Temperaturbereich erstreckt sich bis zu 200°C. Die angestrebte Genauigkeit sollte eher 5% liegen.

@ranke: vielen Dank für die Ausführungen, doch ich habe noch ein paar Fragen:

Wenn ich dich richtig verstehe, dann rätst du mir die Zweipunktregelung der Heizplatte direkt zu modifizieren. Leider darf ich die Heizplatte als studentische Hilfskraft im Labor nicht verändern. Ich muss über die Netzspannung und die zugeführte Leistung gehen :/. Nichtsdestotrotz finde ich deine Anregungen klasse.

Gruß, Arcalon

[ranke]

ich möchte eine Temperaturregelung einer Heizplatte entwerfen. Im Moment wird sie lediglich gesteuert und heizt unkontrolliert auf. Die Anforderung an die Temperaturregelung ist, bestimmte Temperaturen zu halten. ... Weiterhin kann man über einen Steuerung die Stellgröße kontinuierlich steuern. Könnte es sich in so einem Fall immer noch um eine Zweipunktregelung handeln, die mithilfe einer Steuerung auf bestimmte Temperaturen regelt ?

Offenbar ist Dir das selbst nicht so klar, was die derzeitige Platte kann. Hier einmal eine Übersicht über die drei üblichen Ansteuerungen von Kochplatten (vielleicht geht deine Heizplatte auch so):
http://www.kunnig-elektro.de/funktio...n/regelung.htm
Dazu ist zu bemerken, dass die Siebentaktregelung und die Energieregelung keine Regelungen sind, sondern Steuerungen.
Problematisch bei der ganzen Sache sehe ich noch die Fragen der elektrischen Sicherheit, Du solltest Dir eventuell noch eine fachkundige Person hinzuziehen zumal es sich wohl nicht umgehen läßt die Netzspannung zu schalten.