Projekt 38: Regelung eines instabilen Systems: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 22. Januar 2018, 18:18 Uhr

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 als es losfuhr. 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. Auch das Gyroskop wurde unter den EV3-Block gesetzt, damit der Schwerpunkt weiter herrab gesetzt wurde und der Sensor stabil befestigt werden konnte.

Programmierphase

Fazit

Ergebnis

Zusammenfassung

Literatur

Weblinks

Projektunterlagen

YouTube Video

GET-Praktikum: Projekt 38 Regelung eines instabilen Systems YouTube Video

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 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.
+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 als es losfuhr. 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. Auch das Gyroskop wurde unter den EV3-Block gesetzt, damit der Schwerpunkt weiter herrab gesetzt wurde und der Sensor stabil befestigt werden konnte.
 === Programmierphase ===