DC-Motor-Regelung im Praktikum mit ELVIS-II-Boards und QNET Experimenten

Transkript

1 DC-Motor-Regelung im Praktikum mit ELVIS-II-Boards und QNET Experimenten Ulrich Hoffmann, FH Aachen FB Elektrotechnik und Informationstechnik

2 Motivation Digitale Regelungstechnik behandelt Signalerzeugung, Datenerfassung Prozess-Modellbildung Auslegung digitaler Regelungen Entwurf von Regelkreisstrukturen Erprobung, Verifizierung Studierende sollen diese Vorgehensweise im Praktikum kennen und anwenden lernen

3 Motivation Bisher: Arbeit an simulierten Prozessen: - LabVIEW-basierte Simulationen einer Tankanlage - OpAmp-Schaltungen für Verzögerungsprozesse Jetzt (ab SS 2012): Arbeit an realen Modell-Prozessen: - ELVIS II-Board, u.a. mit DC-Motor-Strecke - PC-gestützte Regelung

4 Arbeitsumgebung ELVIS II-Board Verschiedene LabVIEW-gestützte Instrumente: Frequenzgenerator FGEN, Digitalmultimeter DMM, Signalanalyse DSA Frequenzgang BODE u.a. + QNET-DC-Motor LabVIEW Control Design & Simulation Tool via USB an Arbeitsplattform mit QNET-Experiment (Trainer) 120W-Servomotor Drehzahlmessung mit Schlitzscheibe und Quadraturencoder

5 Arbeitsumgebung Vorteil: schnell auf- und abbaubare Versuchsanlagen übersichtliche Anordnung eigene Programmentwicklung, ausgehend von Beispiel-Programmen gut geeignet für Einarbeitung, Durchführung und Auswertung in 3h-Praktikumsblock mit Kleingruppen Nachteil: weitgehend feste Versuchsanlage, wenig Erweiterungsspielraum

6 Arbeitsumgebung QNET DC Motor Trainer und LabVIEW CD & Simulation Program LabVIEW Signalerzeugung, Datenerfassung ELVIS II Board DC Motor Trainer USB Verbindung LabVIEW Datenauswertung (LS-Schätzung)

7 Modellbildung Ohne Prozesskenntnisse keine Regelung Kennenlernen des Prozesses, der Mess- und Stelltechnik Erfassen der Messwerte Bestimmung der Modellkenngrößen Kenngrößenbestimmung z. B. durch zeitkontinuierliche Parameter aus Sprungantwort zeitdiskrete Parameter aus LS-Schätzung

8 Modellbildung zeitkontinuierliche Parameter aus Sprungantwort PT 1 -Prozess: Prozesskenngrößen: Verstärkung: Zeitkonstante:

9 Modellbildung zeitdiskrete Parameter aus LS-Schätzung Verschiedene Eingangssignale: Mehrfrequenz mit Gleichanteil Sprung / Sinus / Mehrfrequenz, etc. 1/T = 7,5 1/s 0,8 100 Hz

10 Digitale Regelungen Quasikontinuierlicher PI-Regler Reglerparameter durch Takahashi-Einstellregeln (modifizierte CHR) K R 0,9 T K T u Kompensation der Prozessdynamik g T 0 2 => T n T0 3,33Tu 2 Diskretisierung: => y k K R T ek 1 yk 1 0 ( 1 ) ek 1 Tn

11 Digitale Regelungen Zeitdiskrete Reglerparameter aus K R, T n, T 0 Stellgrößenbegrenzung Anti-Windup

12 Digitale Regelungen Deadbeat-Regelung Reglerparameter aus zeitdiskreten Prozesskenngrößen der LS-Schätzung Abtastzeit abhängig von max. möglicher Stellgröße => => z a 10 0 G R ( z) 0 b z 1 0 u0(t0) % max. Stellgröße u0(t0) 0,00 0,10 T0/T 0,20 1 => G w ( z) z =>

13 Regelkreisstrukturen Vorsteuerung dient der Schleppfehler-Korrektur Blockschaltbild PI-Regelung + Vorsteuerung LabVIEW Vorsteuerung G T (z) QNET DC Motor w - u T e s u T 0 G R (z) Positionsregelung T 0 G S (s) DC-Motor y Auslegung (zeitkontinuierlich): PDT 1 -Filter mit

14 Regelkreisstrukturen Vorsteuerung Sprungantwort des Prozesses: T = 0,13s

15 Regelkreisstrukturen Vorsteuerung nur PI-Regelung Rampenförmiger Sollwertverlauf 90 /s PI-Regelung + PDT 1 -Vorsteuerung Realisierung als digitales PDT 1 System: Matched Pole-Zero-Filter

16 Erprobung Erprobung reales / ideales Modell Regelgüte Datenerfassung und filterung wichtig Modellgüte abhängig von Anregungs-Signal Ziel: Bestimmung der Motor-Kenngrößen Stimmt der theoretische Entwurf auch in der Praxis? Gründe für geringere Güte in der Praxis Kreisstrukturen Rampensteigungen nicht beliebig groß Stellgrößenbegrenzungen beachten

17 Ausblick QNET DC-Motor Trainer einfache, recht robuste Strecke gut geeignet auch für anspruchsvolle Modellierung und Regelung Praktikumsausbau Digitale Regelungstechnik 6 QNET-Trainer (4 verschiedene Modelle) einsetzen: - DC-Motor - HVAC Trainer (Thermisches System) - VTOL-Trainer (Mech. System höherer Ordnung) - Inverses Pendel-Trainer (Mech. System Doppel-Integrator) Programm Daten-I/O Modellierung Reglerentwurf Strukturen soll stets gleich bleiben