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Simulation und Aufbau eines analogen Reglers für eine hochdynamische Kraftquelle

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

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.

Item Type: Diploma Thesis or Magisterarbeit
Erschienen: 2006
Creators: Stöhr, Ingmar
Title: Simulation und Aufbau eines analogen Reglers für eine hochdynamische Kraftquelle
Language: German
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.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Krafterzeugung, Mathematik Software MATLAB, PID-Regler analog, Reglermodell, Überlastschutz, Vierpol, Wegmessung optisch
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 31 Aug 2011 10:17
Additional Information:

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)

Identification Number: 17/24 EMKD 1602
Referees: Kern, Dipl.-Ing. Thorsten and Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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