Robotik · Klasse 8

Messen.
Regeln.
Stabilisieren.

Du verarbeitest analoge Messwerte, steuerst Leistungen mit PWM und entwickelst einen Regelkreis, der Abweichungen selbstständig ausgleicht.

6 Lektionen1 Abschlussprojekt45–60 Minuten je Lektion

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Vom Messwert zur automatisch geregelten Beleuchtung

So arbeitest du

Du beobachtest Messreihen, entwickelst Regeln, setzt sie mit Arduino um und beurteilst das Verhalten anhand von Diagrammen und gezielten Störungen.

Erfassen

Analoge Messwerte

Zwischen null und ganz viel.

Analoge Sensoren liefern abgestufte Werte. Der Arduino wandelt die Spannung in Zahlen um; Messbereich, Auflösung und Störungen bestimmen, wie aussagekräftig sie sind.

Arduino-Aufgabe

Lies ein Potentiometer ein und gib die Werte im seriellen Monitor aus. Untersuche Minimum, Maximum und Schwankungen bei unveränderter Stellung.

Lerncheck

Warum ist ein einzelner Messwert selten ausreichend?

Er kann durch Rauschen oder eine kurze Störung verfälscht sein. Eine Messreihe zeigt Verlauf und typische Schwankungen.

Dosieren

PWM

Leistung in schnellen Portionen.

Pulsweitenmodulation schaltet einen Ausgang sehr schnell ein und aus. Das Verhältnis der Einschaltzeit bestimmt die mittlere Leistung und damit etwa LED-Helligkeit oder Motortempo.

Arduino-Aufgabe

Lass eine LED in zehn Stufen heller werden. Ordne jeder Stufe einen passenden PWM-Wert von 0 bis 255 zu und beschreibe deine Beobachtung.

Lerncheck

Erzeugt PWM eine echte kleinere Gleichspannung?

Nein. Der Ausgang wechselt zwischen aus und ein; nur der zeitliche Mittelwert wirkt wie eine geringere Leistung.

Zuordnen

Werte abbilden

Aus Eingabe wird Stellgröße.

Sensor- und Ausgangswerte besitzen oft verschiedene Bereiche. Eine Abbildung überträgt beispielsweise 0–1023 auf 0–255 und kann zusätzlich begrenzt werden.

Arduino-Aufgabe

Steuere die LED-Helligkeit mit einem Potentiometer. Rechne drei Beispielwerte von Hand um und vergleiche sie mit dem Programm.

Lerncheck

Welcher Ausgangswert gehört ungefähr zum Eingang 512?

Etwa 128, denn 512 liegt ungefähr in der Mitte von 0–1023 und 128 in der Mitte von 0–255.

Vergleichen

Soll- und Ist-Wert

Die Abweichung zeigt die Richtung.

Der Sollwert beschreibt das Ziel, der Istwert den gemessenen Zustand. Ihre Differenz ist die Regelabweichung; ihr Vorzeichen zeigt, ob die Stellgröße steigen oder sinken muss.

Arbeitsauftrag

Berechne die Regelabweichung für Sollwert 600 und die Istwerte 420, 590, 600 und 710. Formuliere jeweils eine sinnvolle Reaktion.

Lerncheck

Ist die Regelung bei Abweichung null dauerhaft fertig?

Nicht unbedingt. Eine neue Störung kann den Istwert verändern, deshalb misst und vergleicht der Regelkreis fortlaufend.

Rückkoppeln

Regelkreis

Die Wirkung wird wieder gemessen.

Im geschlossenen Regelkreis beeinflusst der Aktor die Strecke. Der Sensor misst die Wirkung erneut. So kann das System Störungen erkennen und selbstständig nachregeln.

Arbeitsauftrag

Zeichne den Regelkreis einer automatischen Beleuchtung mit Sollwert, Vergleich, Regler, LED, Raum, Lichtsensor und Rückführung. Markiere eine Störung.

Lerncheck

Was unterscheidet Steuern und Regeln?

Beim Regeln wird die tatsächliche Wirkung zurückgemessen und mit dem Ziel verglichen; bei einer reinen Steuerung fehlt diese Rückkopplung.

Abstimmen

Regler testen

Schnell, ruhig und genau.

Ein zu schwacher Regler reagiert langsam, ein zu starker kann überschwingen oder pendeln. Messprotokolle zeigen Reaktionszeit, bleibende Abweichung und Stabilität.

Arduino-Aufgabe

Teste drei unterschiedlich starke Korrekturen. Verändere das Umgebungslicht plötzlich und protokolliere für jede Einstellung fünf aufeinanderfolgende Istwerte.

Lerncheck

Welche Einstellung ist die beste?

Diejenige, die das Ziel ausreichend schnell und genau erreicht, ohne dauerhaft zu schwanken. Die Anforderungen entscheiden.

Abschlussprojekt

Die geregelte Beleuchtung

Entwickle eine Beleuchtung, die eine gewünschte Helligkeit trotz wechselndem Umgebungslicht möglichst konstant hält. Ein Sensor liefert den Istwert, eine LED mit PWM die Stellgröße.

1 Ziel festlegen2 Sensor kalibrieren3 Regelkreis planen4 Regler abstimmen5 Störungen testen

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