Mechatronische Systeme

Transkript

1 Rolf Isermann Mechatronische Systeme Grundlagen 2. vollständig neu bearbeitete Auflage Mit 327 Abbildungen und 103 Tabellen QA Springer '*

2 1 Integrierte mechanisch-elektronische Systeme r' Vom mechanischen zum mechatronischen System Mechanische Systeme und mechatronische Entwicklungen Mechatronische Systeme des Maschinenwesens Mechatronische Systeme in der Feingerätetechnik Mechanische Systeme des Apparatebaus (Anlagentechnik) Mikromechatronische Systeme Eingrenzung und Definition mechatronischer Systeme Funktionen mechatronischer Systeme Mechanischer Grundaufbau Funktionsaufteilung Mechanik - Elektronik Betriebseigenschaften Neue Funktionen Sonstige Entwicklungen Integrationsformen von Prozess und Elektronik Arten der Informationsverarbeitung Mehr-Ebenen-System Signalvorverarbeitung Informationsgewinnung Modellgestützte Methoden der Regelung Überwachung und Fehlerdiagnose Intelligente Systeme Entwurfsmethodik für mechatronische Systeme Rechnergestützter Entwurf mechatronischer Systeme^ Zum Inhalt dieses Buches 41

3 Teil I Grundlagen der Modellbildung Grundlagen der theoretischen Modellbildung technischer Prozesse Theoretische und experimentelle Modellbildung Klassifikation von Prozesselementen \ Materieformen Hauptstrom und Nebenströme Prozesselemente für konzentrierte Parameter Prozesselemente für verteilte Parameter Grundgleichungen für Prozesselemente mit Energie- und Materieströmen Bilanzgleichungen Konstitutive Gleichungen Phänomenologische Gleichungen Energiebilanzgleichungen für Prozesse / mit konzentrierten Parametern Energiebilanz bei mechanischen Systemen Energiebilanz bei thermischen Systemen (feste Körper, Flüssigkeiten) Energiebilanz für Gase und Dämpfe Energiebilanz bei elektrischen Systemen Gemeinsame Eigenschaften der Bilanzgleichungen Verschaltung von Prozesselementen Knotengleichung und Umlaufgleichung Zur Kausalität von Prozesselementen Analogien zwischen mechanischen und elektrischen Systemen Zusammenfassung Aufgaben 116 Grundgleichungen für die Dynamik mechanischer Systeme mit bewegten Massen Newtonsche Grundgesetze der Kinetik Translation Rotation Prinzipien der Mechanik Das Prinzip von d'alembert Lagrangesche Gleichungen 2. Art Aufgaben 132

4 XI Teil II Modelle mechanischer und elektrischer Komponenten und Maschinen 4 Modelle mechanischer Komponenten : Stäbe :' Federn Dämpfer Dämpfer mit trockener und viskoser Reibung Feder-Dämpfer-Systeme Lager Gleitlager Wälzlager...' Einmassenschwinger (Feder-Masse-Dämpfer-Systeme) Längsschwinger ^ Drehschwinger Mehrmassenschwinger Zweimassen-Drehschwinger mit einer Feder Zweimassen-Drehschwinger mit zwei Federn Zweimassen-Drehschwinger mit Getriebe und einer Feder Getriebebauarten Riemengetriebe Tilger und Dämpfer Mechanische Systeme mit Reibung Mechanische Systeme mit Lose (Spiel) Aufgaben Modelle elektrischer Antriebe Bauarten elektrischer Antriebe Elektromagnete Bauformen von Elektromagneten Magnetisches Feld Statisches Verhalten von einfachen Magnetkreisen Dynamisches Verhalten von einfachen Magnetkreisen Statisches Verhalten von Elektromagneten Dynamisches Verhalten von Elektromagneten und Positions-Regelung Gleichstrommotoren (DC) Induzierte Spannung Drehmomenterzeugung Dynamisches Verhalten T Statisches Verhalten Drehzahl- und Positions-Regelung Bürstenlose Gleichstrommotoren (elektronische Kommutierung) Besondere Bauarten von Gleichstrommotoren 222

5 XII Inhaltsverzeichnis 5.4 Drehstrommotoren (AC) Drehfelderund Koordinatensysteme Asynchronmotoren Synchronmotoren : Wechselstrommotoren Kommutatormotoren (Universalmotoren) Kurzschlussrotormotoren Fremdgeführte und selbstgeführte Elektromotoren Leistungselektronik Bauelemente der Leistungselektronik Schaltungen der Leistungselektronik Aufgaben Modelle von Maschinen Kopplung von Maschinenelementen zu Maschinen Kennlinien und Stabilität von Maschinen Statisches Verhalten von Kraft- und Arbeitsmaschinen Dynamisches Verhalten eines Motorenprüfstandes Dynamisches Verhalten eines Werkzeugmaschinen-Vorschubantriebs Der Vorschub und seine Komponenten Experimentelle Identifikation des Vorschubantrieb-Regelsystems Dynamisches Modell eines Drehstrommotor-Kreiselpumpen-Aggregates Theoretisches Modell der Kreiselpumpe Gesamtmodell der Pumpanlage und ihre Identifikation Dynamisches Modell eines Kraftfahrzeug-Antriebsstranges Komponenten des Antriebsstranges Antriebsstrangmodell mit Wellenelastizität Abhängigkeit des Verhaltens vom Betriebspunkt Speicher ohne und mit Rückführung Einstellung von Reglerparametern Zur Regelung mechatronischer Systeme Regelungen der unteren Ebene Regelungen der höheren Ebenen Adaptive Regelung Fuzzy Regelung Aufgaben <* 327

6 XIII Teil III Methoden der experimentellen Modellbildung 7 Identifikation dynamischer Systeme (experimentelle Modellbildung) Identifikationsmethoden Allgemeines Vorgehen Klassifikation von Identifikationsmodellen Identifikationsmethoden Testsignale Geschlossener Regelkreis Art der Anwendung Parameterschätzung für zeitdiskrete Signale Methode der kleinsten Quadrate (LS) Rekursive Methode der kleinsten Quadrate Modifikation der Methode der kleinsten Quadrate Parameterschätzung für zeitkontinuierliche Signale Methode der kleinsten Quadrate Zeitvariante Systeme Nichtlineare Prozesse Parameterschätzung mit klassischen nichtlinearen Modellen Künstliche neuronale Netze Fuzzy-logische Modelle Kennfeld-Darstellungen für nichtlineares statisches Verhalten Parameterschätzung für nicht stetig differenzierbare nichtlineare Prozesse (Reibung und Lose) Aufgaben Modelle von periodischen Signalen und ihre Identifikation Harmonische Schwingungen Einzelne Schwingungen Superposition Amplitudenmodulation...; Frequenz- und Phasenmodulation Schwebung Superposition und nichtlineare Kennlinien Identifikation periodischer Signale (Schwingungsanalyse) Bandpassfilter Fourieranalyse Korrelationsfunktionen f Fouriertransformation (zeitbegrenzte Signale) Schnelle Fouriertransformation (FFT) Parametrische Spektralschätzung Cepstrumanalyse Analyse nichtstationärer periodischer Signale 395

7 XIV Inhaltsverzeichnis 8.3 Schwingungsanalyse für Maschinen ) Schwingungen rotierender Maschinen Zur Anwendung der Schwingungsanalysemethoden Aufgaben, 407 Teil IV Komponenten der Online-Informationsverarbeitung 9 Sensoren Messkette ^ Klassifikation von Sensoren Eigenschaften von Sensoren Signalformen, Messumformer, Messverstärker Wegmessung Geschwindigkeitsmessung Beschleunigungsmessung Schwingungsmessung Kraft- und Druckmessung Drehmomentmessung Temperaturmessung Durchflussmessung Analog-Digital-Wandlung Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Integrierte und intelligente Sensorik Aufgaben Aktoren Grundstrukturen von Aktoren ' Übersicht der Aktoren ^ Art der Hilfsenergie Art des Übertragungsverhaltens Anforderungen an Aktoren und Servoantriebe Elektromechanische Stellantriebe Elektromotoren als Stellantriebe Elektromagnete Hydraulische Aktoren Hydraulische Stellantriebe Hydraulische Komponenten und ihre Modelle Modell einer servo-hydraulischen Achse...«? Pneumatische Aktoren Pneumatische Stellsysteme." Pneumatische Komponenten und ihre Modelle Modellbasierte Regelung einer pneumatischen Servoachse Modelle eines pneumatischen Stellventils 500

8 XV 10.6 Unkonventionelle Aktoren Aktoren mit Umgebungsenergie Aktoren mit elektro-rheologischen und magneto-rheologischen Flüssigkeiten Piezoelektrische Aktoren Elektrostriktive und magnetostriktive Aktoren Mikroaktoren.< Vergleich der Anwendungsbereiche Aktoren als Systemkomponenten Schnittstellen Bauliche Integration mit dem Prozess Ausgeführte Funktionen Aufgaben Mikrorechner Aufbau eines Mikrorechners Standardprozessoren Architektur von Standardprozessoren Software für Standardprozessoren Speicher Schnittstellen zum Prozess (Prozessperipherie) Analoge Eingaben Digitale und binäre Eingaben Analoge Ausgaben Digitale und binäre Ausgaben Mikrocontroller Architektur von MikroControllern Software für Mikrocontroller Signalprozessoren Anwendungsspezifische Prozessoren (ASIC) Feldbussysteme Netztopologien Busgrundfunktionen OSI (Open System Interconnection) - Referenzmodell Profibus CAN-Bus FlexRay-Bus Aufgaben Fehlertolerante mechatronische Systeme Zum Ausfallverhalten der Komponenten Fehlerarten Zuverlässigkeits- und Sicherheits-Analyse Fehlertoleranz-Strukturen Grundsätzliche redundante Strukturen 566

9 XVI Inhaltsverzeichnis Degradationsstufen '..., Fehlermanagement Methoden der Fehlererkennung Fehlertolerante Sensoren Hardware-Sensor-Redundanz Analytische-Sensor-Redundanz Fehlertolerante Aktorerf Beispiele fehlertoleranter Systeme Elektrischer Drosselklappen-Aktor Redundanter Asynchronmotor-Antrieb Brake-by-wire System Schlussbemerkungen Aufgaben Ausblick 587 Literaturverzeichnis 591 Sachverzeichnis 617