Mechatronik Grundlagen

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1 Prüfung WS 2009/2010 Mechatronik Grundlagen Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf Anmerkungen: Aufgabenblätter auf Vollständigkeit überprüfen Nur Blätter mit lesbarem Namen werden korrigiert. Keine rote Farbe verwenden. Zu jeder Lösung Aufgabennummer angeben. Bitte haben Sie dafür Verständnis, dass wegen des Datenschutzes keinerlei telefonische Auskünfte gegeben werden! Aufgabe max. Punkte Summe 60 Prüfer Note erreichte Punkte Anmerkungen Version: :57:00 Datei: Mecha_WS0910_1.doc 1/9 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

2 Aufgabe 1 4 P Erläutern Sie die besonderen Eigenschaften mechatronischer Systeme am Beispiel einer modernen Werkzeugmaschine! Aufgabe 2 6P Welche Modellansätze zur Beschreibung von Reibung kennen Sie? Aufgabe 3 8 P Stellen Sie die Bewegungsgleichungen für das unten dargestellte mechanische Ersatzmodell eines elektrischen Antriebs auf! x 1 x 2 x 3 C1,D 1 F A C 2,D 2 m 2 m 3 F M m 1 2/9 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

3 Aufgabe 4 8 P Geben Sie das Strukturbild eines Gleichstrommotors an und benennen Sie die wichtigsten Parameter! Aufgabe 5 6 P Bewerten Sie Kopplung dieser Motors mit den beiden verschiedenen Pumpen! Drehmoment Pumpe 2 Pumpe 1 Motor Drehzahl Aufgabe 6 6 P Was ist die Übertragungsfunktion für ein Abtastsystem? Wozu wird diese u. a. benötigt? Aufgabe 7 4 P Wie ist ein Testsignal zur Messung der dynamischen Eigenschaften eines Systems zu wählen? 3/9 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

4 Aufgabe 8 12 P Ist der geschlossene Regelkreis für das unten gezeigte System stabil? Wie muss die Verstärkung verändert werden, um ein Überschwingen von ca. 10% zuzulassen? Skizzieren Sie die Sprungantwort für das ursprüngliche System und die Sprungantwort des verbesserten Reglers! Wie könnte das dynamische Verhalten weiter verbessert werden? Aufgabe 9 2 P Welche Bedeutung hat die Symboltabelle bei der Programmierung von Steuerungen? 4/9 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

5 Aufgabe 10 4 P Welcher Pol- Nullstellenplan gehört zur welcher Sprungantwort (kurze Begründung)? 5/9 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

6 Kurzlösung: Aufgabe 1: Die Bearbeitung erfolgt weitgehend automatisch, wobei die Abläufe nicht durch Kurvenscheiben oder ähnlichem sondern über Software eingestellt werden. Dadurch können die Abläufe beliebig verändert und angepasst werden Die Werkzeugmaschinen sind vernetzt, so dass CAD-Daten direkt übernommen werden können Die hohe Präzision der Maschinen wird neben der mechanischen Präzision der Maschine vor allem durch Regelungstechnik ermöglicht Das System kann Fehler selbst diagnostizieren Die Werkzeuge können automatisch vermessen werden. Aufgabe 2: Haftreibung Viskose Reibung (geschwindigkeitsproportionale Reibung) Gleitreibung-Reibung Stribek-Reibung (als kombiniertes Reibmodell) Luftreibung Reibung in Strömungen Reibung von Wasserfahrzeugen Aufgabe 3: mx = F Cx Dx ; 1 1 A ( ) ( ) ( ) ( ) mx = F + C x x + D x x 2 2 A mx = F C x x D x x 2 3 M /9 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

7 Aufgabe 4: Aufgabe 5: Drehmoment AP3 AP2 AP4 AP1 Pumpe 2 Pumpe 1 Motor Drehzahl Die Arbeitspunkte P1 und P2 sind stabile, P3 und P4 instabil. Der Arbeitspunkt P1 zeigt besseres Stabilitätsverhalten als AP2 da der Schnittwinkel größer ist, AP2 jedoch liegt bei einer deutlich höheren Leistung. 7/9 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

8 Aufgabe 6 diese Formel wird bekommt durch die Laplace-Transformation und durch die Ts Substitution e = zfolgende Form: Anwendungen: Parameterschätzung der Übertragungsfunktion als Abstastsystem aus gemessenen Werten Implementierung von Filtern und Reglern als Abtastsystem mit Hilfe von Mikrocontrollern. Aufgabe 7: einfach und reproduzierbar zu erzeugen einfach mathematisch beschreibbar realisierbar sein mit den gegebenen Stelleinrichtungen anwendbar auf den Prozess 8/9 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

9 Aufgabe 8: Das System ist stabil da die Phasenreserve positiv ist. Für ein Überschwingen von 10% muss eine Phasenreserve von 60 Grad eingestellt werden. An der Stelle -120 Grad beträgt die Verstärkung ca. -14dB. Die Verstärkung muss als um Faktor ca. 5.0 erhöht werden. Mit Hilfe eines PD-Reglers, kann das System verbessert werden, da dann die kleinste Streckenzeitkonstante bei der Frequenz 10 kompensiert werden kann. Aufgabe.9 Die Bedeutung der Anschlüsse und Signale wird erklärt, was ein wichtiger Teil der Dokumentation ist. Durch die Verwendung symbolischer Namen sind die Programme besser lesbar Bei einer Umverdrahtung der Anschlüsse muss der eigentliche Code nicht verändert werden. Aufgaben 10: pzmap1 gehört zu step 3. Die Sprungantwort zeigt die Wirkung einer dominanten Nullstelle pzmap2 gehört zu step 4. Die Sprunganwort geht zuerst in die entgegengesetzte Richtung des Endwertes pzmap3 gehört zu step 1: Die Sprungantwort zeigt aufgrund der konjugiert komplexen Pole eine ausgeprägte Schwingung pzmap4 gehört zu step 2: Die Sprungantwort zeigt das Verhalten eines PT1 Gliedes. Der langsame Pol mit der Zeitkonstante 1 ist dominant. 9/9 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf