Optimierung des inversen Pendels: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 14. März 2021, 14:15 Uhr

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Mirek Göbel
Autor: Martin Theine

Einleitung

Das an der HSHL unter Leitung von Prof. Göbel gebaute inverse Pendel (so ähnlich wie dieses Projekt) soll im Rahmen von weiteren studentischen Arbeiten optimiert und erweitert werden.

Aufgabe

Projektziel

Der bestehende Versuchsaufbau dient zur Veranschaulichung und als Versuchsstand des regelungstechnischen Klassikers „Inverses Pendel“. Im Rahmen dieses Projekts soll der Versuchsaufbau optimiert und anschließend gezielt so geregelt werden, dass das inverse Pendel auf dem Schlitten nach oben zeigt.

Erwartungen an die Projektlösung

Aufwand pro Fachgebiet

Versuchsaufbau

Mechatronische Komponenten

Nachfolgend werden die wichtigsten mechatronischen Komponenten des Versuchsaufbaus "Inverses Pendel" in der Tabelle aufgeführt und auf die Datenblätter verwiesen.

Pos.:	Titel:	Beschreibung:	Datenblatt:
1	Grundplatte	Birke-Multiplex 930mm x 400mm x 12mm	-
2	Netzteil	MeanWell HRP-300-24	-
3	Lineareinheit	isel LEZ3 232007 1070	Datenblatt-Lineareinheit
4	DC-Motor	Bühle 1.13.075.214	Datenblatt-Elektromotor
5	Motor-Shield	STMechtronics VNH5019A-E	Datenblatt-MotorShield
6	Abstands-Sensor	SHARP GP2Y0A21YK	Datenblatt-Abstands-Sensor
7	Winkel-Sensor	MEGATRON MAB36A	Datenblatt-Winkel-Sensor

Parameter der Regelstrecke

Beschreibung:	Bezeichnung in Matlab / Simulink:	Variablen:	Wert:
Masse des Pendeltellers	m_teller	$-$	0.118 kg
Masse des Pendelstabs	m_stab	$-$	0.177 kg
Masse der Pendelaufnahem	m_aufnahme	$-$	1.474 kg
Masse des Pendels	m_pendel	$m_2$	0.295 kg
Masse des Laufwagens	m_laufwagen	$m_1$	3.504 kg
Strecke Drehpunkt-Schwerpunkt	l_SPunkt	$l$	0.197 m
Strecke Drehpunkt-Angriffspunkt der Störkraft	l_pendel	$l_g$	0.320 m
Massenträgheitsmoment Pendel um den Drehpunkt	J_Drehpunkt	$J^{(A)}$	0.015 kg/m^2

Zusammenfassung und Ausblick

Offene Punkte

Aus diesen offenen Punkten kann in Absprache ein schlüssiges Thema für eine studentische Arbeit definiert werden:

Mechatronische Optimierung
- Ergänzen von Schutzeinrichtungen für die elektrischen Komponenten
- Anpassen des Platinenlaouts
- Ersetzen der Prototypen-Platine durch geätzte PCB

Regelungstechnik
- Test des in Simulation ausgelegten Reglers am realen Versuchsaufbau
- Optimierung der Regler-Parameter aus der Simulation
- Auslegen verschiedener Regler in der Simulation

Erweiterte Regelungstechnik
- Umsetzung von verschiedenen Reglern
- Vergleich der verschiedenen Reglertypen

Quellen / Weiterführende Literatur

[1] Lunze, Jan (2016). Regelungstechnik 1. Systemtheoretische Grundlagen, Analyse und Entwurf einschleifiger Regelungen. 11. Aufl. Berlin, Heidel-berg, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
[2] Prof. Dr.-Ing. Mirek Göbel (2019). Mess- und Regelungstechnik. Vorlesung. Vorlesungsskript. Lippstadt, Hochschule Hamm-Lippstadt
[3] Richard, Hans Albert/Sander, Manuela (2008). Technische Mechanik Dyna-mik. Wiesbaden, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag
[4] Richard, Hans Albert/Sander, Manuela (2016). Technische Mechanik. Statik. 5. Aufl. Wiesbaden, Springer Fachmedien Wiesbaden

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 == Einleitung ==
 [[Datei:Projekt_58_Versuchsaufbau_InversesPendel.jpg|thumb|500px|right|'''Abb. 1:''' Versuchsaufbau - Inverses Pendel]]
+[[Datei:Projekt_58_Versuchsaufbau_InversesPendel_oben.jpg|thumb|500px|right|'''Abb. 2:''' Versuchsaufbau - Inverses Pendel (Draufsich)]]
-Das an der HSHL unter Leitung von Prof. Göbel gebaute inverse Pendel ([[Projekt_30:_Besenbalancierer|so ähnlich wie dieses Projekt]]) soll im Rahmen von weiteren studentischen Arbeiten optimiert werden.
+Das an der HSHL unter Leitung von Prof. Göbel gebaute inverse Pendel ([[Projekt_30:_Besenbalancierer|so ähnlich wie dieses Projekt]]) soll im Rahmen von weiteren studentischen Arbeiten optimiert und erweitert werden.
 == Aufgabe ==
 === Projektziel ===
+Der bestehende Versuchsaufbau dient zur Veranschaulichung und als Versuchsstand des regelungstechnischen Klassikers „Inverses Pendel“.  Im Rahmen dieses Projekts soll der Versuchsaufbau optimiert und anschließend gezielt so geregelt werden, dass das inverse Pendel auf dem Schlitten nach oben zeigt.
 === Erwartungen an die Projektlösung ===
 === Aufwand pro Fachgebiet ===
+[[Datei:Projekt_58_Diagramm_Aufwand_pro_Fachgebiet.png|thumb|600px|none|'''Abb. 3:''' Diagramm - Aufwand pro Fachgebiet]]
 == Versuchsaufbau ==
 === Mechatronische Komponenten ===
+Nachfolgend werden die wichtigsten mechatronischen Komponenten des Versuchsaufbaus "Inverses Pendel" in der Tabelle aufgeführt und auf die Datenblätter verwiesen.
 {| class="mw-datatable"
-! style="font-weight: bold; width:10%; text-align:center;" | Pos.:
+! style="font-weight: bold; width:15%; text-align:center;" | Pos.:
-! style="font-weight: bold; width:20%; text-align:center;" | Titel:
+! style="font-weight: bold; width:25%; text-align:center;" | Titel:
 ! style="font-weight: bold; width:30%; text-align:center;" | Beschreibung:
-! style="font-weight: bold; width:20%; text-align:center;" | Abmaße:
 ! style="font-weight: bold; width:20%; text-align:center;" | Datenblatt:
 |-
-| 1 || ... || ... || ... || ...
+| style="text-align:center;" | 1 || Grundplatte || Birke-Multiplex 930mm x 400mm  x 12mm|| -
+|-
+| style="text-align:center;" | 2 || Netzteil || MeanWell HRP-300-24 || -
+|-
+| style="text-align:center;" | 3 || Lineareinheit || isel LEZ3 232007 1070 || [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/001-092/058_InversesPendel/Dokumentation/Datenblätter/Datennblatt_iselGermany_Lineareinheit_LEZ_3.pdf Datenblatt-Lineareinheit ]
+|-
+| style="text-align:center;" | 4 || DC-Motor || Bühle 1.13.075.214 || [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/001-092/058_InversesPendel/Dokumentation/Datenblätter/Datenblatt_Bühler_DC-Motor_1_13_075_214.pdf Datenblatt-Elektromotor ]
 |-
-| 2 || ... || ... || ... || ...
+| style="text-align:center;" | 5 || Motor-Shield || STMechtronics VNH5019A-E || [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/001-092/058_InversesPendel/Dokumentation/Datenblätter/Datenblatt_STMicroelectronics_MotorShield_VNH5019A-E.pdf Datenblatt-MotorShield ]
 |-
-| 3 || ... || ... || ... || ...
+| style="text-align:center;" | 6 || Abstands-Sensor || SHARP GP2Y0A21YK || [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/001-092/058_InversesPendel/Dokumentation/Datenblätter/Datenblatt_SHARP_Infrarot_Distanzsensor_GP2Y0A21YK0F.pdf Datenblatt-Abstands-Sensor ]
 |-
-| 4 || ... || ... || ... || ...
+| style="text-align:center;" | 7 || Winkel-Sensor || MEGATRON MAB36A || [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/001-092/058_InversesPendel/Dokumentation/Datenblätter/Datenblatt_MEGATRON_Halleffekt_Drehgeber_DS_MAB36A_dt.pdf Datenblatt-Winkel-Sensor ]
+|-
+|}
+=== Parameter der Regelstrecke ===
+{| class="mw-datatable"
+! style="font-weight: bold; width:25%; text-align:center;" | Beschreibung:
+! style="font-weight: bold; width:30%; text-align:center;" | Bezeichnung in Matlab / Simulink:
+! style="font-weight: bold; width:20%; text-align:center;" | Variablen:
+! style="font-weight: bold; width:15%; text-align:center;" | Wert:
+|-
+| Masse des Pendeltellers || m_teller || <math>-</math> || 0.118 kg
+|-
+| Masse des Pendelstabs || m_stab || <math>-</math> || 0.177 kg
+|-
+| Masse der Pendelaufnahem || m_aufnahme || <math>-</math> || 1.474 kg
+|-
+| Masse des Pendels || m_pendel || <math>m_2</math> || 0.295 kg
+|-
+| Masse des Laufwagens || m_laufwagen || <math>m_1</math> || 3.504 kg
+|-
+| Strecke Drehpunkt-Schwerpunkt || l_SPunkt || <math>l</math> || 0.197 m
+|-
+| Strecke Drehpunkt-Angriffspunkt der Störkraft || l_pendel || <math>l_g</math> || 0.320 m
+|-
+| Massenträgheitsmoment Pendel um den Drehpunkt || J_Drehpunkt || <math>J^{(A)}</math> || 0.015 kg/m^2
 |-
 |}
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 Aus diesen offenen Punkten kann in Absprache ein schlüssiges Thema für eine studentische Arbeit definiert werden:
 # Mechatronische Optimierung
-#* Reibungsminimierung durch Radiallager ohne Dichtung
+#* Ergänzen von Schutzeinrichtungen für die elektrischen Komponenten
-#* Verlängerung des Pendels
+#* Anpassen des Platinenlaouts
+#* Ersetzen der Prototypen-Platine durch geätzte PCB
 # Regelungstechnik
-#* Ermittlung der Regelstrecke, d. h. Vermessung des Aufbaus, Erstellung eines Simulationsmodells
+#* Test des in Simulation ausgelegten Reglers am realen Versuchsaufbau
-#* Entwicklung eines Reglers in der Simulation
+#* Optimierung der Regler-Parameter aus der Simulation
-#* Test des Reglers am realen Aufbau
+#* Auslegen verschiedener Regler in der Simulation
 # Erweiterte Regelungstechnik
 #* Umsetzung von verschiedenen Reglern
-#* Vergleich
+#* Vergleich der verschiedenen Reglertypen
 == Quellen / Weiterführende Literatur ==
-<references /> [1] ...
+<references /> [1] Lunze, Jan (2016). Regelungstechnik 1. Systemtheoretische Grundlagen, Analyse und Entwurf einschleifiger Regelungen. 11. Aufl. Berlin, Heidel-berg, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
-<references /> [2] ...
+<references /> [2] Prof. Dr.-Ing. Mirek Göbel (2019). Mess- und Regelungstechnik. Vorlesung. Vorlesungsskript. Lippstadt, Hochschule Hamm-Lippstadt
+<references /> [3] Richard, Hans Albert/Sander, Manuela (2008). Technische Mechanik Dyna-mik. Wiesbaden, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag
+<references /> [4] Richard, Hans Albert/Sander, Manuela (2016). Technische Mechanik. Statik. 5. Aufl. Wiesbaden, Springer Fachmedien Wiesbaden
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