Patrick Metzler. Hochschule RheinMain. Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs. Vortrag auf der Matlab Expo am 10.
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- Wilhelmine Weiss
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1 Patrick Metzler Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs Vortrag auf der Matlab Expo am 10. Mai 2016 Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 1
2 Überblick Aufgabenstellung Konzept Hardware Software Identifikation und Regelung der stabilen Strecke Identifikation und Regelung der instabilen Strecke Ausführungsbeispiele Zusammenfassung Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 2
3 Aufgabenstellung Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 3
4 Aufgabenstellung -> keine Tricks Echte Dynamik keine Trickelektronik Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 4
5 Aufgabenstellung Echte Dynamik keine Trickelektronik Sehen, Hören, Fühlen Bewegung Motivierung durch Besitz einer eigenen Strecke Die Strecke soll weniger als 15 Euro kosten. Die Materialien sollen weltweit verfügbar sein. Die Strecke soll einfach und eindeutig reproduzierbar sein. Probleme sollen per Ferndiagnose lösbar sein. Die Strecke soll für Ziegler Nichols geeignet sein. Es soll einfach zwischen stabilem und instabilem Verhalten gewechselt werden können. Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 5
6 Überblick Aufgabenstellung Konzept Hardware Software Identifikation und Regelung der stabilen Strecke Identifikation und Regelung der instabilen Strecke Ausführungsbeispiele Zusammenfassung Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 6
7 Konzept -> Hardware Sensor: PC mit Simulink und Webcam Konisches Rohr und Tischtennisball Optional: USB-Hub zur einfacheren Verkabelung Stellglied: Experimentierplatine mit Schalttransistor Regler: PC mit Simulink und Arduino (Mega oder Uno) Gebläse eines Haartrockners Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 7
8 Konzept -> stabil, instabil F F Im Gleichgewichtszustand kompensiert die Strömungskraft F die Gewichtskraft Fg Fg Fg Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 8
9 Konzept -> stabil, instabil -> Reaktion auf Auslenkung F F Fg Fg Durch Drehen des Rohres kann von stabiler zu instabiler Strecke gewechselt werden. stabil instabil Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 9
10 Konzept -> Video Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 10
11 Konzept -> Video Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 11
12 Überblick Aufgabenstellung Konzept Hardware Software Identifikation und Regelung der stabilen Strecke Identifikation und Regelung der instabilen Strecke Ausführungsbeispiele Zusammenfassung Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 12
13 Hardware ARDUINO M Pin6 300 B C 12V (PWM) E Ground Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 13
14 Überblick Aufgabenstellung Konzept Hardware Software Identifikation und Regelung der stabilen Strecke Identifikation und Regelung der instabilen Strecke Ausführungsbeispiele Zusammenfassung Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 14
15 Software -> Gesamtmodell Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 15
16 Software -> Strecke Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 16
17 Software -> Strecke -> Unterblock MeasurePos Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 17
18 Software -> Modell auf Arduino Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 18
19 Software -> Tools Tool Matlab Simulink Image Acquisition Arduino Support Package Instrument Control Toolbox Computer Vision Toolbox Bemerkung Notwendig Notwendig Notwendig zum Einlesen der Webcam Notwendig für Arduino, kostenlos Nützlich für USB-Kommunikation Nützlich zum Anzeigen der WebCam Bilder Nützlich zum Drehen der WebCam Bilder Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 19
20 Überblick Aufgabenstellung Konzept Hardware Software Identifikation und Regelung der stabilen Strecke Identifikation und Regelung der instabilen Strecke Ausführungsbeispiele von Studenten Zusammenfassung Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 20
21 Identifikation und Regelung der stabilen Strecke -> Übersicht U0=63 Y0=10.77 plant = controller = Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 21
22 Identifikation und Regelung der stabilen Strecke -> Sprungantwort des Regelkreises kpr = kir = kdr = Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 22
23 Identifikation und Regelung der stabilen Strecke -> Modellierung Bewegungsgleichung des Balls m Y ሷ + D Y ሶ = F Fg Statische Abhängigkeit der Strömungskraft F von U und Y F = U (k1 k2 Y) Dynamische Version F = U t T (k1 k2 Y) Erste und dritte Gleichung zusammen: m Y ሷ + D Y ሶ + U t T k2 Y + Fg = k1 U t T Y Dimensionslose Koeffizienten p 1 ሷ Y + p 2 ሶ Y + p 3 Y U t T + p 4 = U t T Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 23
24 Überblick Aufgabenstellung Konzept Hardware Software Identifikation und Regelung der stabilen Strecke Identifikation und Regelung der instabilen Strecke Ausführungsbeispiele von Studenten Zusammenfassung Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 24
25 Identifikation und Regelung der instabilen Strecke -> Umwandlung des Modells der stabilen Strecke in ein Modell der instabilen Strecke p 1 ሷ Y + p 2 ሶ Y + p 3 Y U t T + p 4 = U t T Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 25
26 Identifikation und Regelung der instabilen Strecke -> Umwandlung des Modells der stabilen Strecke in ein Modell der instabilen Strecke Y=29-Y Höhe ab Gitter Skala Stabil Skala Instabil Niedrigster Punkt Höchster Punkt p 1 ሷ Y + p 2 ሶ Y + p 3 Y U t T + p 4 = U t T Y Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 26
27 Identifikation und Regelung der instabilen Strecke -> Umwandlung des Modells der stabilen Strecke in ein Modell der instabilen Strecke Y=29-Y Höhe ab Gitter Skala Stabil Skala Instabil Niedrigster Punkt Höchster Punkt p 1 ሷ Y + p 2 ሶ Y + p 3 29 Y U t T + p 4 = U t T Y Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 27
28 Identifikation und Regelung der instabilen Strecke -> Video des Regelkreises Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 28
29 Überblick Aufgabenstellung Konzept Hardware Software Identifikation und Regelung der stabilen Strecke Identifikation und Regelung der instabilen Strecke Ausführungsbeispiele Zusammenfassung Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 29
30 Ausführungsbeispiele Mitbauvariante mit Originalkarton des Föhns und integrierter WebCam des Notebooks Aufbau mit von Nikola Trica Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 30
31 Ausführungsbeispiele Marcos A. Salvador Robert Vaduva Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 31
32 Ausführungsbeispiele Stefano Adini Christian Stopp On the one hand I think it is a pity that these great courses reached the end, on the other side I'm happy that I can enjoy now my camera mounting... ;-) Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 32
33 Überblick Aufgabenstellung Konzept Hardware Software Identifikation und Regelung der stabilen Strecke Identifikation und Regelung der instabilen Strecke Ausführungsbeispiele Zusammenfassung Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 33
34 Zusammenfassung Echte Dynamik keine Trickelektronik Sehen, Hören, Fühlen Bewegung Motivierung durch Besitz einer eigenen Strecke Die Strecke soll weniger als 15 Euro kosten. Die Materialien sollen weltweit verfügbar sein. Die Strecke soll einfach und eindeutig reproduzierbar sein. Probleme sollen per Ferndiagnose lösbar sein. Die Strecke soll für Ziegler Nichols geeignet sein. Es soll einfach zwischen stabilem und instabilem Verhalten gewechselt werden können. Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 34
35 Zusammenfassung Für die stabile Strecke wurde ein Modell direkt aus der Sprungantwort geschätzt. Das Modell für die stabile Strecke wurde per Koordinatentransformation Y->29-Y zu einem ersten Modell der instabilen Strecke Die Parameter dieses Modells wurden dann an das tatsächliche Sprungverhalten der instabilen Strecke angepasst. Aufgrund der guten Vorarbeit beim Modellieren der Strecken waren die Regelungen einfach zu realisieren. Die Mitbaustrecke hat sich im Einsatz, sowohl im Onlinekurs als auch in der Präsenzlehre, bewährt. Prof. Dr.-Ing. Patrick Metzler Matlab Expo 2016: Low Cost Mitbaustrecke für weltweiten Onlinekurs 35
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