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Simulation und Aufbau eines analogen Reglers für eine hochdynamische Kraftquelle

Stöhr, Ingmar :
Simulation und Aufbau eines analogen Reglers für eine hochdynamische Kraftquelle.
Technische Universität Darmstadt
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2006)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

In dieser Diplomarbeit wird eine analoge Regelung für eine elektrodynamische Kraftquelle mit besonderen Anforderungen an das dynamische Verhalten des geregelten Systems entwickelt. Die besonderen Anforderungen bestehen in der Darstellung sinusförmiger Kräfte zwischen 1 mN und 10 N in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis 1 kHz. Dabei soll die Regelabweichung im Bereich zwischen 100 Hz und 400 Hz nicht größer als 1 mN sein.

Für die Entwicklung werden die zum System gehörenden Komponenten Kraftquelle, Verstärker, Kraftsensor und Messverstärker hinsichtlich ihres Übertragungsverhaltens im Frequenzbereich charakterisiert. Diese Charakterisierung wird sowohl theoretisch anhand von Angaben der Hersteller, als auch messtechnisch über Frequenzgangsmessungen durchgeführt. Im Rahmen der Charakterisierung erfolgt eine Modellbildung der einzelnen Komponenten. Verstärker, Kraftsensor und Messverstärker werden als Übertragungsfunktionen im Laplacebereich modelliert. Die Kraftquelle wird als Vierpol mit komplexen, frequenzabhängigen Koeffizienten modelliert, um den Einfluss der Last zu berücksichtigen. Zusammen mit der vorgegebenen Lastimpedanz entsteht so ein vollständiges Modell der Regelstrecke.

Als Regler wird ein einstellbarer PID-Regler gewählt. Eine Zustandsregelung mit Beobachter wird wegen des zu großen Aufwandes verworfen. Unter Berücksichtigung des Streckenmodells und der vorgesehenen Lastimpedanz werden günstige Reglerparameter erarbeitet.

Dieser Regler wird entsprechend der Aufgabe als analoge Schaltung umgesetzt. In die Schaltung werden notwendige Zusatzfunktionen integriert. Eine in die Kraftquelle integrierbare Wegsensorik auf Basis einer IR-Reflexlichtschranke wird entworfen und realisiert. Diese hat die Aufgabe, die Kraftquelle vor mechanischer oder thermischer Überlastung zu schützen, wenn sie wegen fehlender oder zu geringer Gegenkraft gegen einen der mechanischen Anschläge fährt.

Ebenfalls integriert wird eine Steuerung des Reglers auf Basis von Standardlogik.

Die Inbetriebnahme erfolgt unter Anwendung piezoelektrischer und resistiver Kraftsensoren. Im Rahmen der durch die Sensoren gegebenen Einschränkungen ist die Regelung stabil. Ein Ausblick auf die Anforderungen an einen geeigneten Sensor wird gegeben. Jedoch können die Anforderungen an die Dynamik wegen der Resonanzen der Kraftquelle auch mit einem idealen Sensor nicht erfüllt werden. Möglichkeiten diese Einschränkung zu umgehen werden in Form von Änderungen an der Kraftquelle aufgezeigt.

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2006
Autor(en): Stöhr, Ingmar
Titel: Simulation und Aufbau eines analogen Reglers für eine hochdynamische Kraftquelle
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

In dieser Diplomarbeit wird eine analoge Regelung für eine elektrodynamische Kraftquelle mit besonderen Anforderungen an das dynamische Verhalten des geregelten Systems entwickelt. Die besonderen Anforderungen bestehen in der Darstellung sinusförmiger Kräfte zwischen 1 mN und 10 N in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis 1 kHz. Dabei soll die Regelabweichung im Bereich zwischen 100 Hz und 400 Hz nicht größer als 1 mN sein.

Für die Entwicklung werden die zum System gehörenden Komponenten Kraftquelle, Verstärker, Kraftsensor und Messverstärker hinsichtlich ihres Übertragungsverhaltens im Frequenzbereich charakterisiert. Diese Charakterisierung wird sowohl theoretisch anhand von Angaben der Hersteller, als auch messtechnisch über Frequenzgangsmessungen durchgeführt. Im Rahmen der Charakterisierung erfolgt eine Modellbildung der einzelnen Komponenten. Verstärker, Kraftsensor und Messverstärker werden als Übertragungsfunktionen im Laplacebereich modelliert. Die Kraftquelle wird als Vierpol mit komplexen, frequenzabhängigen Koeffizienten modelliert, um den Einfluss der Last zu berücksichtigen. Zusammen mit der vorgegebenen Lastimpedanz entsteht so ein vollständiges Modell der Regelstrecke.

Als Regler wird ein einstellbarer PID-Regler gewählt. Eine Zustandsregelung mit Beobachter wird wegen des zu großen Aufwandes verworfen. Unter Berücksichtigung des Streckenmodells und der vorgesehenen Lastimpedanz werden günstige Reglerparameter erarbeitet.

Dieser Regler wird entsprechend der Aufgabe als analoge Schaltung umgesetzt. In die Schaltung werden notwendige Zusatzfunktionen integriert. Eine in die Kraftquelle integrierbare Wegsensorik auf Basis einer IR-Reflexlichtschranke wird entworfen und realisiert. Diese hat die Aufgabe, die Kraftquelle vor mechanischer oder thermischer Überlastung zu schützen, wenn sie wegen fehlender oder zu geringer Gegenkraft gegen einen der mechanischen Anschläge fährt.

Ebenfalls integriert wird eine Steuerung des Reglers auf Basis von Standardlogik.

Die Inbetriebnahme erfolgt unter Anwendung piezoelektrischer und resistiver Kraftsensoren. Im Rahmen der durch die Sensoren gegebenen Einschränkungen ist die Regelung stabil. Ein Ausblick auf die Anforderungen an einen geeigneten Sensor wird gegeben. Jedoch können die Anforderungen an die Dynamik wegen der Resonanzen der Kraftquelle auch mit einem idealen Sensor nicht erfüllt werden. Möglichkeiten diese Einschränkung zu umgehen werden in Form von Änderungen an der Kraftquelle aufgezeigt.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Krafterzeugung, Mathematik Software MATLAB, PID-Regler analog, Reglermodell, Überlastschutz, Vierpol, Wegmessung optisch
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 31 Aug 2011 10:17
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1602

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 28-11-2005

Ende Datum: 12-06-2006

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKD 1602
Gutachter / Prüfer: Kern, Dipl.-Ing. Thorsten ; Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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