Modul Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle

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1 Modul Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 1

2 Mechatronische Systeme Präsenszeit I (14 Stunden) Freitag: Mechatron. Syst. & Modelle Samstag: Modellbildung 09:00 Begrüßung und Einführung 09:30 Vorlesung Mechatronische Systemtechnik 10:00 Vorlesung Modellierung mechanischer Systeme 11:00 Laborführung Mechatronik am IMS 12:00 Mittagspause 13:00 Vorlesung Systemmodelle & Simulation 12:00 Mittagspause 13:00 Vorlesung Nichtlinearitäten & Systemidentifikation 14:45 Flip-the-classroom Übung Verteilung der Themen 15:00 Kaffeepause 15:30 Rechnerübung LKW-Unfall 15:00 Kaffeepause 15:30 Rechnerübung LKW-Unfall 17:45 Zusammenfassung 17:45 Zusammenfassung mathworks.com Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 2 2

3 Mechatronische Systeme Präsenszeit II (14 Stunden) Freitag: Aktorik & Leistungselek. Samstag: Sensorik & Regelung 09:00 Vorlesung Aktorsysteme und elektrodyn. Aktoren 10:00 Vorlesung Sensorik 11:00 Flip-the-classroom Übung Zweimassenschwinger 12:00 Mittagspause 13:00 Vorlesung Elektromag. und piezoelektr. Aktoren 12:00 Mittagspause 13:00 Vorlesung Regelung und Steuerung 15:00 Kaffeepause 15:30 Flip-the-classroom Übung Aktorik 15:00 Kaffeepause 15:30 Rechnerübung Fahrersitz mit aktiver Dämpfung 16:30 Rechnerübung Fahrersitz mit aktiver Dämpfung 17:45 Zusammenfassung 17:45 Zusammenfassung Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 3 3

4 Mechatronische Systeme Präsenszeit III (14 Stunden) Freitag: Synthese & Integration Samstag: Mini Design Project 09:00 Vorlesung Entwicklungsmethodik 11:00 Flip-the-classroom Übung Regelung 12:00 Mittagspause 13:00 Vorlesung Systemintegration 10:00 Konzeptphase Anforderungsliste Produktkonzept 12:00 Mittagspause 13:00 Simulationsphase Modellierung Simulation Reglerentwurf logmedia.at 15:00 Kaffeepause 15:30 Rechnerübung Sensorik 17:30 MDP-Aufgabe, -Gruppeneinteilung 15:00 Kaffeepause 15:30 Konstruktion & Präsentation Rückschlüsse auf Konstruktion Vorbereitung der Präsentation 16:30 Ergebnispräsentation 17:35 Zusammenfassung & Prüfungsinfo wimmer-technik.de Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 4 4

5 Mechatronische Systeme Struktur der Vorbereitung/Präsenzphasen Semester 3 (SoSe) Durchführung im Blended Learning : Selbstlernphase/ E-Learning (8,5h) Präsenzphase (8 h) Energieeffiziente Produktion 5 CP Mechatronische Systeme 5 CP Digitale Fabrik und Industrie CP Zertifikat III Reading List Theoretische Aufarbeitung der Lehrinhalte Übungsvorbereitung Theoretische Vorbereitung der Rechnerübungen Flip-the-Classroom-Übung (Vor- und Nachbereitung) Vorbereitung: Theoretische Einarbeitung und didaktische Aufbereitung des Themas Vorlesungen Zwei Vorlesungen je pro Tag Vertiefende Behandlung der Themen Übung (Gruppenarbeit) Eine Rechnerübungen pro Blocktermin Praktische Umsetzung der Vorlesung Prüfung 70% mündl. Prüfung (Einzelleistung) 10% Flip-the-Classroom-Üb., 20% MDP Mini Design Project (Gruppenarbeit, MDP) Praktische Anwendung in der Entwicklung eines mechatronischen Systems Flip-the-Classroom-Übung (Lehrbeitrag in Gruppenarbeit) Präsentation und Dikussion der Inhalte für den Rest der Hörer Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 5 5

6 Mechatronische Systeme Struktur der Präsenzphasen/Nachbereitung Semester 3 (SoSe) Durchführung im Blended Learning : Präsenzphase (8 h) Selbstlernphase/ E-Learning (8,5h) Energieeffiziente Produktion 5 CP Mechatronische Systeme 5 CP Digitale Fabrik und Industrie CP Zertifikat III Vorlesungen Zwei Vorlesungen je pro Tag Vertiefende Behandlung der Themen Übung (Gruppenarbeit) Eine Rechnerübungen pro Blocktermin Praktische Umsetzung der Vorlesung Prüfung 70% mündl. Prüfung (Einzelleistung) 10% Flip-the-Classroom-Üb., 20% MDP Mini Design Project (Gruppenarbeit, MDP) Praktische Anwendung in der Entwicklung eines mechatronischen Systems Flip-the-Classroom-Übung (Lehrbeitrag in Gruppenarbeit) Präsentation und Dikussion der Inhalte für den Rest der Hörer Folienskript und Reading List Theoretische Nachbereitung der Lehrinhalte Übungsnachbereitung Nachbereitung der Rechnerübungen an Hand der Simulationsergebnisse Flip-the-Classroom-Übung (Vor- und Nachbereitung) Nachbereitung der von anderen Gruppen vorgestellten Themen Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 6 6

7 Theoretische und experimentelle Modellbildung Theoretische und experimentelle Modellbildung Vom Realsystem zum Modell Ziel: Mathematische Beschreibung des statischen und dynamischen Verhaltens Voraussetzung: Analyse des realen technischen Systems Unterscheidung zwischen theoretischer und experimenteller Modellbildung Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 7 7

8 Theoretische und experimentelle Modellbildung Mobiles inverses Pendel Systembeschreibung Gewünschte Funktionalität: Balancieren, Positionieren Notwendige Informationen durch Sensoren: - Neigungswinkel, Neigungswinkelgeschwindigkeit, - Pendelposition, Pendelgeschwindigkeit, - Drehwinkel, Drehwinkelgeschwindigkeit. Beeinflussung des Systems über die Motoren (Aktoren) Modellbildung zur Auslegung von Aktorik, Sensorik, Regelung und Gesamtsystem notwendig Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 8 8

9 Theoretische und experimentelle Modellbildung Blockschaltbild des mobilen inversen Pendels Regelung Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 9 9

10 Theoretische und experimentelle Modellbildung Simulation des mobilen inversen Pendels Vergleich der gemessenen und simulierten Antwort auf eine rampenförmige Änderung der Sollposition des inversen Pendels Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 10 10

11 Theoretische und experimentelle Modellbildung Theoretische Modellbildung (theoretical modeling) Realsystem Ersatzsystem Theoretisches Modell Struktur Parameter (1) Abstraktion Realsystem durch Kenntnisse auftretender physikalischer Phänomene Ersatzsystem mit vereinfachten Annahmen (z. B. relevante Freiheitsgrade) (2) Modellbildung mittels physikalischer Gesetze, i. Allg. Differentialgleichungen (Impulssatz, Energiesatz, Ohmsches Gesetz, Kontinuitätsgesetz etc.) Theoretisches Modell: Struktur und (physikalische) Parameter (3) Ermittlung physikalischer Parameter Konstruktionsdaten, Materialwerte, Bauteilkennwerte etc. (4) Optionale Ermittlung experimenteller Daten zur Überprüfung der Modellgüte Verbesserung durch Parameter-Anpassung (Identifikation) oder Struktur-Erweiterung Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 11 11

12 Theoretische und experimentelle Modellbildung Experimentelle Modellbildung (experimental modeling) (1) Experimentelle Untersuchung Realsystem durch gezielte Stimulation der Eingänge Messung der Ein- und Ausgangsgrößen (2) Modellbildung durch Analyse der Zusammenhänge der Ein- und Ausgangsgrößen Experimentelles Modell: Struktur und (abstrakte) Parameter (3) Identifikation abstrakter Parameter basierend auf den Messergebnissen Modellgüte-Überprüfung direkt möglich, ggf. Verbesserung durch Struktur-Optimierung Vorteile: Nachteile: - keine/weniger Kenntnisse der physikalischen Phänomene erforderlich - direkte Überprüfung der Modellgüte möglich - Hardware-Verfügbarkeit und teure Experimente zwingend erforderlich - eingeschränkte Variation physikalischer Größen bei der Produktentwicklung Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 12 12

13 Methodische Vorgehensweise Grundlegende Schritte der Modellbildung Überführung des Realsystems in ein Ersatzsystem 1 a) Funktion abstrahieren b) Ersatzsystem erstellen 2 Mathematische Beschreibung des statischen und dynamischen Verhaltens durch Differentialgleichungen a) Mechanische Strecke i) System freischneiden ii) Bewegungsgleichungen aufstellen b) Sonstige Komponenten i) Aktorgleichungen ii) Sensorgleichungen iii) Regelgesetz 3 Simulation des realen Verhaltens durch Lösung der Differentialgleichungen a) DGL in Blockschaltbild überführen b) Systemparameter bestimmen c) Simulation und Analyse Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 13 13

14 Methodische Vorgehensweise Differentialgleichungen (DGLn) Allg. Beschreibung einer linearen Differentialgleichung 2. Ordnung a 2 x q x + a 1 x q x + a 0 x q x = f(xሻ (homogene DGL für f(x ሻ = 0, inhomogene DGL für f(xሻ 0) DGL mit konstanten Koeffizienten und Zeit als variable Größe a 2 qሷ t + a 1 qሶ t + a 0 q t = f t Lösung q t = q h t + q p (t൯ h: homogene Lsg. (Lsg. homogene DGL) p: partikuläre Lsg. (Lsg. inhomogene DGL) Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 14 14

15 Methodische Vorgehensweise Überführung von DGLn in ein Blockschaltbild Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 15 15

16 Methodische Vorgehensweise Blockschaltbild für eine Differenzialgleichung Inhomogene Differentialgleichung Umstellen nach der höchsten Ableitung a 2 qሷ t + a 1 qሶ t + a 0 q t = f(tሻ a 2 qሷ t = f(tሻ a 1 qሶ t a 0 q t Unbek. Funktion q t mit Simulationswerkzeug (Matlab/Simulink) berechnen! Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 16 16

17 ሷ ሶ ሶ Methodische Vorgehensweise Blockschaltbild für ein Differenzialgleichungssystem ሷ ሶ Zwei gekoppelte Differentialgleichungen DGL1 q t = f(tሻ DGL2 p t + b q t = 0 Umstellen nach der jeweils höchsten Ableitung q t = f(tሻ p t = b qሶ t DGL1 DGL2 Unbekannte Funktionen q t und p t mit Simulationswerkzeug berechnen! Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 17 17

18 Bausteine der Modellbildung Potential- und Flussgrößen Generalisierte Kraft = Potentialgröße Generalisierte Geschwindigkeit = Flussgröße Leistung = Potentialgröße x Flussgröße Mechanik Kraft: F Geschwindigkeit: xሶ Elektrotechnik Spannung: U Strom: I Hydraulik Druckdifferenz: Δp Volumenstrom: ሶ V Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 18 18

19 Bausteine der Modellbildung Analogien der physikalischen Bausteine Speichertyp A Mechanik Feder Elektrotechnik Kondensator Hydraulik Behälter Potentialgröße: F Flussgröße: xሶ Potentialgröße: U Flussgröße: I Potentialgröße: Δp Flussgröße: Vሶ Potentialgröße folgt durch Integration der Flussgröße Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 19 19

20 Bausteine der Modellbildung Analogien der physikalischen Bausteine Senke Mechanik Dämpfer Elektrotechnik Widerstand Hydraulik Drossel, Blende U R Potentialgröße: F Flussgröße: xሶ Potentialgröße: U Flussgröße: I Potentialgröße: Δp Flussgröße: Vሶ Potentialgröße proportional zur Flussgröße Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 20 20

21 Bausteine der Modellbildung Analogien der physikalischen Bausteine Speichertyp B Mechanik Masse Elektrotechnik Induktivität Hydraulik Fluidmasse Potentialgröße: F Flussgröße: xሶ Potentialgröße: U Flussgröße: I Potentialgröße: Δp Flussgröße: Vሶ Potenzialgröße folgt durch Differentiation der Flussgröße Programmlinie Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Philipp Beckerle 21 21