Ziel dieser Arbeit ist die Optimierung des Regelverhaltens eines Lichtradars.
Dazu soll der vorhandene Programmcode analysiert und verbessert werden. Des Weiteren ist mittels Recherche zu überprüfen, ob der implementierte Regler für den Anwendungsfall geeignet ist.Gegebenenfalls ist er mit einem anderen Regler in Gegenüberstellung zu bringen.
Im ersten Kapitel wird neben der Hinführung zum Thema, die Aufgabenstellung definiert. Im zweiten Kapitel werden die Grundlagen eines Reglers erläutert. Das dritte Kapitel befasst sich mit der verwendeten Hardware und schildert den Aufbau des Modells. Das vierte Kapitelumfasst die Analyse und Optimierung des Lichtradar Reglers. Das abschließende fünfte Kapitel beinhalteschließlicht das Ergebnis und das Fazit der Arbeit.
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG
1.1 ZIEL DER ARBEIT
1.2 AUFBAU DER ARBEIT
2 GRUNDLAGEN
2.1 REGELUNG
2.2 PID-REGLER
2.3 DER OPTIMALE REGLER
3 HARDWARE
3.1 ENTWICKLUNGS-BOARD - ARDUINO UNO R3
3.2 PHOTOWIDERSTAND (LDR) – TYP: VT83N1
3.3 SERVOMOTOR - MICRO SERVO TOWER PRO SG90
3.4 AUFBAU UND SCHALTPLAN
4 OPTIMIERUNG
4.1 REGLERANALYSE
4.2 STELLWERTBEGRENZUNG
4.3 LINEARISIERUNG DER REGELSTRECKE
4.3.1 Hardware
4.3.2 Software
4.4 REGLER ANFORDERUNGEN UND AUSWAHL
4.5 VARIANTE MIT P-REGLER
4.6 VARIANTE MIT I-REGLER
4.6.1 Regler Einstellung
5 FAZIT
5.1 GEGENÜBERSTELLUNG UND BEWERTUNG DER VARIANTEN
5.2 ERGEBNISSE UND AUSBLICK
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das primäre Ziel, das Regelverhalten eines modellbasierten Lichtradars zu optimieren, da das ursprüngliche System zu empfindlich reagiert und bei ungünstigen Lichtverhältnissen zu Schwingungen neigt. Dabei wird untersucht, wie durch hardwareseitige Anpassungen und softwaregestützte Regleroptimierung ein stabiles Nachführverhalten erreicht werden kann.
- Analyse und Optimierung des Regelkreisverhaltens
- Einsatz von P-Reglern und I-Reglern im Vergleich
- Hardwarebasierte Linearisierung der Regelstrecke
- Softwareseitige Implementierung von Interpolationspolynomen
- Bewertung der Regelgüte und Stabilität
Auszug aus dem Buch
4.1 Regleranalyse
Der Wirkungsplan dient als Grundlage für die Analyse und stellt die Regelung grafisch dar.
Die optimale Ausrichtung zur Lichtquelle stellt sich ein, wenn an beiden LDR dieselbe Beleuchtungsintensität gemessen wird. Die Führungsgröße w ist konstant 0.
Es handelt sich um einen P-Regler mit einem Verstärkungsfaktor Kp = 1. Das bedeutet, dass die gemessene Differenz der Beleuchtungsintensität direkt an den Steller weitergegeben wird.
Im Regelkreis ist das Verhalten der Regelstrecke unbekannt, diese kann durch Messung der statischen Kennlinie in Erfahrung gebracht werden. Zur Aufnahme der Regelstrecken Kennlinie wurde ein Programm erstellt. Es steuert den Servomotor schrittweise mit einem Takt von 100ms über den gesamten Bereich von 0-180° an. Eine Taschenlampe wird so auf die LDRs ausgerichtet, dass bei einem Stellwert von 90° das Lichtradar in die Richtung der Taschenlampe zeigt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Einführung in die Thematik der Photovoltaik-Nachführung sowie Definition der Aufgabenstellung zur Optimierung des Lichtradar-Regelverhaltens.
2 GRUNDLAGEN: Erläuterung der theoretischen Konzepte von Regelkreisen, PID-Reglern und der Auswahlkriterien für optimale Regler in der Praxis.
3 HARDWARE: Beschreibung der verwendeten Komponenten wie Arduino UNO R3, Photowiderständen (LDR) und Servomotoren sowie deren schaltungstechnischer Aufbau.
4 OPTIMIERUNG: Detaillierte Analyse des Regelverhaltens inklusive Hardware-Anpassungen zur Entkopplung, Linearisierung mittels Interpolationspolynomen und Vergleich verschiedener Reglerkonzepte.
5 FAZIT: Bewertung der Untersuchungsergebnisse und Empfehlung des I-Reglers für die optimale Nachführung gegenüber dem P-Regler.
Schlüsselwörter
Lichtradar, Arduino, Regelungstechnik, P-Regler, I-Regler, Photovoltaik, Nachführung, Servomotor, LDR, Regelstrecke, Optimierung, Linearisierung, Schwingungsverhalten, Sensorik, Automatisierung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die Optimierung des Regelverhaltens eines einachsigen Lichtradars, das zur automatischen Ausrichtung auf eine Lichtquelle dient.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind Regelungstechnik, Elektronik-Hardware, Programmierung auf Mikrocontrollern und die Optimierung von Reglerparametern.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Verbesserung des instabilen Regelverhaltens des Lichtradars, um ein Schwingen des Systems bei wechselnden Lichtverhältnissen zu verhindern.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine modellbasierte Analyse durchgeführt, bestehend aus der Vermessung der Regelstrecke, der mathematischen Interpolation und der vergleichenden Erprobung von Regler-Algorithmen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil analysiert die Hardware-Konfiguration, führt eine Regleranalyse durch, implementiert eine Stellwertbegrenzung und vergleicht die Performance von P-Reglern und I-Reglern.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Lichtradar, Regelstrecke, I-Regler, Arduino-Programmierung und Linearisierung.
Warum neigt das System zur Schwingung?
Die Schwingung resultiert aus einem nichtlinearen Verhalten der Regelstrecke, insbesondere bei der Entkopplung der LDRs durch den Keil, was zu einer zu hohen Streckenverstärkung führt.
Warum ist der I-Regler in diesem Fall vorzuziehen?
Im Gegensatz zum P-Regler ermöglicht der I-Regler eine ausregelte Differenz ohne bleibende Regelabweichung bei gleichzeitig dämpfender Wirkung durch einen geringen Verstärkungsfaktor.
Welchen Einfluss hat die Linearisierung?
Die Linearisierung mittels Newton-Interpolation glättet das Ansprechverhalten der Regelstrecke, was das unerwünschte Aufschwingen des Reglers deutlich reduziert.
- Arbeit zitieren
- Stefan Nothdurft (Autor:in), 2019, Wie kann die Leistung von Photovoltaikanlagen optimiert werden? Implementierung und Optimierung der Regelung eines Arduino-Lichtradars, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/463237
