Anwendungen der Prozessdatenverarbeitung. - Realisierung eines inverses Pendels - Jörg Schweitzer, Ronny Jopp, Justus Dörflinger F [1]

Transkript

1 Anwendungen der Prozessdatenverarbeitung - Realisierung eines inverses Pendels - Jörg Schweitzer, Ronny Jopp, Justus Dörflinger F [1]

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Projektbeschreibung 3. Hardware 4. Messen und Steuern 5. Theorie versus Praxis 6. Fazit F [2]

3 1. Einleitung F [3]

4 1. Einleitung 1.1 Beschreibung inverses Pendel 1.2 Bauformen 1.3 vorhandene Pendel F [4]

5 1.1 Beschreibung inverses Pendel Standardbeispiel der Regelungstechnik für Stabilisierung einer instabilen Regelstrecke Grundlage: Balancierproblem eines Stabes, der auf mit einem Motor auf einem Wagen entlang einer Achse in aufrechte Haltung gebracht bzw. gehalten werden soll F [5]

6 1.2 Bauformen(1) lineares Inverses Pendel - klassische Bauform - 1 Freiheitsgrad räumliches Inverses Pendel - Bewegung auf Ebene -> 2 Freiheitsgrade - mögliche Umsetzung durch Robotorarm F [6]

7 1.2 Bauformen(2) rotatorisches Inverses Pendel - Ausbalancierung durch Kreisbewegung - auch Frutura-Pendel mehrachsiges Inverses Pendel - meist lineare Pendel - mehrere Pendel durch Gelenke verbunden - doppelt und dreifach F [7]

8 1.2 Bauformen(3) doppeltes Inverses Pendel - zwei unterschiedlich lange Pendel an selben Fußpunkt befestigt - Ausbalancierung linear oder rotatorisch F [8]

9 1.3 vorhandene Pendel(1) Diplomarbeit inverses Pendel, Migge - Aufbau: - Strecke 1m Pendellänge 50cm - Zustandsgrößen: - Wagenposition, -geschwindigkeit - Pendelwinkel, -geschwindikeit - Antrieb Gleichstrommotor mit Servoverstärker - Regelung: - Zustandsmatrizen -> Normalform -> Berechnung Eigenwerte für System - Berechnung neuer Matrix durch weitere Funktion anhand stabiler Eigenwerte - Rücktransformation Differenz der Matrizen -> Umsetzung des Zustandsregler F [9]

10 1.3 vorhandene Pendel(2) - Sensorik: - Präzisions-Leitplastikpotentiometer zur Winkelbestimmung - Bestimmung des Wagens mittels optoelektrischen Inkrementalgeber und 24-bit Zählerschaltkreis F [10]

11 1.3 vorhandene Pendel(3) Laborversuch Pendel, Uni Bremen - Aufbau: - Planarantrieb -> 2 luftgelagerte Linearmotoren - Steuerung -> 2 entkoppelte Pendelsysteme - Systemgleichungen in linearisiertes Zustandsmodell (wie bei Migge) - Regelung: - Zustandsrückführung mit Simulink und Matlab - Regelung mit Simulink und Datenerfassungskarte F [11]

12 1.3 vorhandene Pendel(4) - Sensorik: - 2 Potentiometer an Gelenken - Schrittinkremente der Linearmotoren F [12]

13 2. Projektbeschreibung F [13]

14 2. Projektbeschreibung Ziel: Umsetzung eines linearen inversen Pendels Pendel ist drehbar auf der Achse eines Motors beides ist auf einem Schlitten montiert horizontale Bewegung des Schlitten F [14]

15 3. Hardware F [15]

16 3. Hardware 3.1 Versuchsaufbau 3.2 Der Schlittenmotor 3.3 Der Pendelmotor 3.4 Demoboard & PIC18F H-Brücke 3.6 Externe Platine F [16]

17 3. Versuchsaufbau F [17]

18 3.1 Versuchsaufbau F [18]

19 3.2 Schlittenmotor Druckermotor 30V 1,1A Gleichstrom Encoderscheibe mit 2 Lichtschranken Gefahrenen Weite Richtung Vgl.: PDV Motor F [19]

20 3.3 Pendelmotor Bühler-Motor 12V, Gleichstrom Encoderscheibe mit 2 Lichtschranken Auslenkung des Pendels Richtung F [20]

21 3.4 Demoboard und PIC18F452 PIC18F452 RISC 40MHz 4 In-/Output-Ports (30pins) MPLAB IDE 7 In-Curcuit Debugger ICD2 C18 - Compiler F [21]

22 LMD H-Brücke National Semiconductor 55V bei 3A (ausreichend) Ausgangsspannung erst ab 10V Eingangsspannung F [22]

23 3.6 Externe Platine (1) Platz auf PICDEM zu klein Replizieren aller I/O-Ports des PICs eine H-Brücke je Motor Logik für Freilauf, wenn PWM-Signal auf LOW Signalleitungen der Lichtschranken Stromversorgung für beide Motoren F [23]

24 3.6 Externe Platine (2) F [24]

25 3.6 Externe Platine (3) F [25]

26 4 Messen und Steuern F [26]

27 4 Messen und Steuern 4.1 Sensorik 4.2 Positionsbestimmung Schlitten 4.3 Positionsbestimmung Pendel 4.4 Loch und Richtung 4.5 Flankenüberwachung F [27]

28 4 Messen und Steuern Sensorik des Aufbaus Encoderscheiben mit Lichtschranken Lichtschrankenausgänge überwachen Pegelwechsel geben Richtung und Löcher an Wechsel müssen gezählt werden Messen und Regeln auf einem System F [28]

29 4 Messen und Steuern Positionsbestimmung Schlittenmotor Eichung auf die Spannweite Fahrt bis zum Anschlag Rückfahrt mit Zählen der Ticks Konkreter Fall : 1200 Ticks F [29]

30 4 Messen und Steuern Positionserkennung Pendelmotor Eichung auf ausgependelten Zustand genaue Nullpunktbestimmung? einfach von Hand F [30]

31 4 Messen und Steuern Loch und Richtung Richtungsbestimmung für Position nötig Positionswert hoch- und runterzählen F [31]

32 4 Messen und Steuern Loch und Richtung Rechteckkurve der Lichtschranken überwachen Kurvenverschiebung ergibt Richtung Periodischer Pegelwechsel gibt Loch an (oder Lochbruchteil) z.b. steigende Flanken überwachen F [32]

33 4 Messen und Steuern Flankenüberwachung F [33]

34 5 Theorie vs. Praxis F [34]

35 5 Theorie vs. Praxis 5.1 Fehlersuche 5.2 Lösungsansätze 5.3 Ergebnis 5.4 Orientierung / TODO F [35]

36 5 Theorie vs. Praxis Fehler im System Schlittenmotor arbeitet Problemlos Pendelposition ist fehlerbehaftet konstante Richtung geht problemfrei Richtungswechsel verursacht Fehler Verschiebung der Nullage Pendel fällt um F [36]

37 5 Theorie vs. Praxis Fehlersuche schnelle Wechsel führen zu Fehler Verlust von Interrupts Interrupts reduziert -> Fehler bleibt Interrupts erhöht -> Fehler wächst nicht Interruptperformance ist ausreichend F [37]

38 5 Theorie vs. Praxis Fehlersuche Richtungswechsel verwirrt den Algorithmus Verzählen durch falsche Pegel F [38]

39 5 Theorie vs. Praxis Lösungsansätze nur Periode zählen, nicht alles Zustandsautomat für Pegelwechsel sicheren Zustand abwarten Totzeit einbauen F [39]

40 5 Theorie vs. Praxis Ergebnis Der Fehler bleibt graduelle Verbesserungen durch inakzeptable Maßnahmen betrunkener Regler verringerter Auflösung F [40]

41 5 Theorie vs. Praxis Orientierung / TODO Fehler ausgleichen richtiger Algorithmus Hardwaretuning Lichtschranken zur Korrektur F [41]

42 5 Theorie vs. Praxis Orientierung / TODO Fehler beheben Sensorwechsel Poti, Absolutwinkelgeber, Dehnungsmessstreifen, Kreisel, optisches Tracking F [42]

43 5 Theorie vs. Praxis Orientierung / TODO Fehler beheben genaue Analyse gerine Hardwarekorrektur ursprüngliches Verfahren beibehalten F [43]

44 6 Fazit F [44]

45 6 Fazit Inverses Pendel reizvolles PDV-Objekt Elektrotechnikprobleme PICDEM2 Board nicht optimal Fehlersuche statt Reglersuche Debugging sehr mühsam Startzustand für Nachfolgegruppe F [45]