Projekt 38: Regelung eines instabilen Systems
Autoren: Madlen Bartnick, Nick Kleinewalter & Michael Bock
Betreuer: Prof. Dr. Ing.-Schneider & Prof. Dr.-Ing. Göbel
Aufgabe
Regeln Sie ein instabiles System, wie z.B. ein Motorrad oder einen Ballbalancierer
Erwartungen an die Projektlösung
- Einsatz einer von Matlab/Simulink unterstützten Hardware (z.B. Lego EV3, Raspberry Pi, Galileo, oder Arduino)
- Darstellung der Theorie
- Systemidentifikation (Übertragungsfunktion der Regelstrecke bestimmen)
- Realisierung des Aufbaus
- Vergleichen und bewerten Sie verschiedene Regleransätze (P, PI, PID und andere).
- Modellbasierte Programmierung der Hardware mit Simulink
- Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert.
- Test und wiss. Dokumentation
- Live Vorführung während der Abschlusspräsentation
Schwierigkeitsgrad
Anspruchsvoll (****)
Einleitung
Im Rahmen des GET-Fachpraktikums an der HSHL wurde die Aufgabe gestellt, ein instabiles System zu konstruieren und dieses anschließend durch eine Regelung zu stabilisieren. Dabei ist die Wahl auf die Konstruktion eines Motorrads als instabiles Systems gefallen. Dieses soll mit einem LEGO MINDSTORMS EV3 Baukasten konstruiert und mit Matlab / Simulink geregelt werden.
Verwendete Bauteile
- LEGO Mindstorm Education V3 Base Kit (mit Software)
- LEGO MINDSTORMS Education EV3 Ergänzungsset
- LEGO MINDSTORMS Education EV3 Gyrosensor
- 2 LEGO Technic Räder 81,6x15 Motorrad
- EDIMAX EW-7811UN Wireless USB Adapter, 150 Mbit/s, IEEE802.11b/g/n
Verwendete Software
- Lego Digital Designer
- LeoCAD
- Autodesk 3D Studio MAX 2018
- Mindstorms EV3 Education
- Matlab / Simulink
Projekt
Planung des Projekts
Die erste Aufgabe im Praktikum war es ein Projektplan zu erstellen, um den Umfang zu ermitteln. Die zeitliche Darstellung ist dabei in Kalenderwochen beschrieben. Wie aus der Grafik ersichtlich ist, hat die Programmierungsphase dabei mehr Zeit in Anspruch genommen, als ursprünglich geplant.
Konstruktionsphase
Zu Beginn sind die Anforderungen an die Konstruktion ermittelt worden, um diese bestmöglich auf die zu erfüllende Aufgabe abzustimmen. Dabei war die erste Überlegung, das Motorrad so zu konstruieren, dass es symmetrisch zur Neigungsachse ist. Dadurch ist gewährleistet, dass das Motorrad keine Schlagseite aufweist. Darüber hinaus sollte der Schwerpunkt des Systems möglichst niedrig liegen, um dadurch einen möglichst großen Winkel der Neigungsachse zu ermöglichen, ohne dass das System umkippt. Desweiteren musste berücksichtigt werden, dass das Gyroskop auf der Neigungsachse verbaut wird, um so die richtigen Messdaten zu empfangen. Die Lenkung bedurfte ebenfalls besondere Aufmerksamkeit, da diese schnell und präziese reagieren muss.
So kam es dazu, dass die Lenkung während des Projektes mehrmals umgebaut und verbessert wurde. Ebenfalls variierte der Radabstand bei den verschiedenen Modellen. Ein kurzer Abstand bei einem der ersten Modelle führte dazu, dass das Motorrad nach hinten wegkippte. Verantwortlich dafür war ebenfalls der noch zu hohe Schwerpunkt des Systems. Daraufhin wurde der Radabstand vergrößert und dann der Schwerpunkt abgesenkt, indem der EV3-Block tiefer gesetzt wurde, was für ein stabileres System sorgte.
Programmierphase
Fazit
Ergebnis
Zusammenfassung
Literatur
Weblinks
Projektunterlagen
YouTube Video
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