In dieser Arbeit geht es darum, eine Regelstruktur zu entwickeln, die das Verhalten eines realen Zweimassen-Schwingers auf einem starr gekoppelten Maschinensatz mit einer massiven, nicht biegbaren Antriebswelle nachahmen kann. Die Zwecke dieser Arbeit sind die Erstellung einer Maschinenprüfstandes, der in einer Hardware-in-the-Loop-Umgebung (HIL) Zweimassen-Schwinger-Systeme simulieren und testen kann. Die Regelstruktur soll es ermöglichen, beliebige Systeme auf dem Maschinensatz zu simulieren, wobei die Trägheitsmomente der Arbeits- und Lastmaschinen, das Lastmoment und die Federkonstante des Oszillatorsystems unabhängig von den Parametern des realen Maschinensatzes frei einstellbar sind. Das Modell für die Regelstruktur wird mathematisch hergeleitet und in Matlab-Simulink simuliert, bevor es in der Steuerung des Maschinensatzes mithilfe der SPS-Programmiersprache IEC 61131-3 implementiert wird. Zusätzlich wird ein Geschwindigkeitsregelsystem unter Verwendung von Zustandsregelung konstruiert und in der Steuerung des Maschinensatzes implementiert.
Beachten Sie, dass die Drehmomentenregelung (Stromregelung) für die Antriebs- und Lastmaschine bereits vom Hersteller des Maschinenprüfstands vorgegeben wurde und in dieser Arbeit nicht behandelt wird.
Die Entwicklung einer Regelstruktur, die es ermöglicht, komplexe Systeme auf einem Maschinensatz zu simulieren, ist von großer Bedeutung für die Maschinen- und Automatisierungsindustrie. Durch die Simulation können verschiedene Szenarien und Lastfälle getestet und optimiert werden, ohne dass dies am realen System durchgeführt werden muss. Die Nutzung von Hardware-in-the-Loop-Umgebungen (HIL) ermöglicht es, die Simulation noch realistischer zu gestalten, indem die zu testende Hardware direkt in die Simulation integriert wird. Diese Methode spart nicht nur Zeit und Kosten, sondern erhöht auch die Sicherheit, da potenzielle Fehler bereits in der Simulation erkannt und behoben werden können, bevor sie am realen System auftreten
Inhaltsverzeichnis
4 Einleitung
5 Aufgabenstellung
5.1 Zielsetzung und Vorgehensweise
6 Theoretische Vorbetrachtung
6.1 Definition und Vorkommen eines Zweimassen-Schwingers
6.2 Herleitung der Differenzialgleichung und des Zustandsmodel des Zweimassen-Schwingers
6.3 Signalflussplan des Zweimassen-Schwingers
6.4 Analytische Berechnung der Pol- und Nullstellen des Systems des Zweimassen-Schwingers
6.5 Reduziertes Model des Zweimassen-Schwingers
7 Herleitung der Differenzialgleichung und Zustandsmodel des Lastweges des Zweimassen-Schwingers
7.1 Diskretisierung des Zustandsmodel des Lastweges
7.2 Signalflussplan des diskretisierten Last-Weges
8 Das Referenzsystem – Diskretisierung des Zustandsmodels des Zweimassen-Schwingers
8.1 Signalflussplan des Referenzsystems
9 Herleitung der Konstante zur Manipulation des Trägheitsmoments des Maschinensatzes
10 Signalflussplan zur regeltechnischen Nachbildung des Zweimassen-Schwingers an einem starr gekoppelten Maschinensatz
11 Berechnung der Drehmoment-Anforderung an den Laststromrichter
12 Die Anpassungskonstanten KB und KT
12.1 Bestimmung der Anpassungskonstanten KB und KT für Abtastzeiten größer als die Zeitkonstante der Stromrichter
12.2 Bestimmung der Anpassungskonstante KB und KT für Abtastzeiten kleiner als die Zeitkonstante der Stromrichter
13 Drehzahlregelung des Zweimassen-Schwingers-Systems
13.1 Entwurf einer Rampenfunktion für die Drehzahlregelung
13.2 Entwurf einer Zustandsregelung für die Drehzahlregelung ohne Integralen Anteil
13.3 Signalflussplan der Drehzahlregelung ohne integralen Anteil
13.4 Entwurf einer Zustandsregelung für die Drehzahlregelung mit Integralen Anteil und Anti-Windup-Struktur
13.5 Signalflussplan der Drehzahlregelung mit Integralen Anteil und Anti-Windup-Struktur
13.6 Grenzen des Systems der regeltechnischen Nachbildung des Zweimassen-Schwingers an einem starr gekoppelten Maschinensatz
13.7 Fazit
14 Eigenschaften von Achsen und Wellen auslegen
14.1 Federsteifigkeit und Biegebeanspruchung von Wellen berechnen
14.2 Durchbiegung von Achsen und Wellen berechnen
14.3 Tragfähigkeitsberechnung von Achsen und Wellen berechnen
14.4 Kritische Drehzahlen von Achsen und Wellen berechnen
15 Prozesstechnische Umsetzung der regeltechnischen Nachbildung des Zweimassen-Schwingers an einem starr gekoppelten Maschinensatz in einer Hardware-in-the-Loop Umgebung.
15.1 Vorstellung des Maschinenprüfstandes Im Labor Elektrische-Antriebe:
15.2 Voraussetzung für die Inbetriebnahmen des Maschinenprüfstandes und Freischalten des Stromrichters:
15.3 Öffnen der SPS-Programmierumgebung (Movitool-Motion-Studio)
15.4 Erklärung der Programmabschnitte der SPS-Programmierung
15.5 Überführen der Simulationsparameter aus Matlab in die SPS-Programmierumgebung
15.6 Abtastzeit in der SPS-Programmierumgebung einstellen
15.7 Verwendung des Zustandsreglers mit I-Anteil für die Drehzahlregelung der regeltechnischen Nachbildung des Zweimassen-Schwingers am starr gekoppelten Maschinensatz
15.8 Verwendung des Zustandsregler ohne I-Anteil für die Drehzahlregelung zur regeltechnischen Nachbildung des Zweimassen-Schwingers am starr gekoppelten Maschinensatz
15.9 Laden der aufgezeichneten Messkurven in Matlab und Vergleich der Messungen mit der Simulation in Simulink
16 Matlab-Programm für die Simulation und Berechnung der Parameter für die Anwendung in der HIL und SIL
16.1 Matlab-Programm „Parameter_Zweimassen_Schwinger_berechnen“
16.2 Matlab-Programm „export_daten_Lastweg“
16.3 Matlab-Programm „export_daten_Referenzsystem“
16.4 Matlab-Programm „Abgelesene_Werte_Ref_PLC“
17 Links zu den Signalpläne und Programme
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Regelstruktur, die es ermöglicht, einen starr gekoppelten Maschinensatz so zu steuern, dass er sich in seiner Drehzahl wie ein realer Zweimassen-Schwinger verhält, und diese prozesstechnisch in einer Hardware-in-the-Loop-Umgebung (HIL) umzusetzen.
- Mathematische Herleitung und Modellierung des Zweimassen-Schwingers
- Diskretisierung der physikalischen Modelle zur Implementierung in SPS-Systemen
- Entwicklung und Optimierung von Zustandsreglern mit verschiedenen Regelstrukturen
- Experimentelle Validierung am Maschinenprüfstand im Labor
- Systemauslegung hinsichtlich mechanischer Belastbarkeit (Achsen und Wellen)
Auszug aus dem Buch
6.1 Definition und Vorkommen eines Zweimassen-Schwingers
Der Zweimassen-Schwinger ist eine Mechanische Verbindung zweier Starrer Körper, welche über eine elastische Verbindung miteinander verbunden sind. Bei transversalen Bewegungen des Zweimassen-Schwinger, liegt als elastische Verbindung eine Feder vor. Bewegt sich der Zweimassen-Schwinger rotatorisch, so liegt als elastische Verbindung eine Torsionsfeder bzw. eine Welle vor, die sich verdrehen lässt, aufgrund der elastisch gekoppelten Last. Solch ein Zweimassen-Schwinger wird auch als Torsionsschwinger bezeichnet.
Torsionsschwinger lassen sich in gefesselte und freie Schwinger einteilen. Bei einem gefesselten Schwinger handelt es sich um mindestens eine fest angespannte Feder. Bei einem freien Schwinger befindet sich die Feder zwischen beiden Körpern. Wird jedoch ein Körper des freien Schwingers festgehalten, wie es beim Bremsvorgang der Fall ist, so ergibt sich daraus ein gefesselter Schwinger [1].
Zusammenfassung der Kapitel
4 Einleitung: Kurze Einführung in das Thema der Bachelorthesis im Rahmen des Studiums Elektronik- und Informationstechnik.
5 Aufgabenstellung: Definition der Zielsetzung, ein Maschinenprüfstand so zu regeln, dass er sich wie ein Zweimassen-Schwinger verhält, inklusive der methodischen Vorgehensweise.
6 Theoretische Vorbetrachtung: Herleitung der mathematischen Grundlagen und Differenzialgleichungen des Zweimassen-Schwingers.
7 Herleitung der Differenzialgleichung und Zustandsmodel des Lastweges des Zweimassen-Schwingers: Mathematische Ableitung und Diskretisierung des Last-Weg-Modells für die Vorsteuerung.
8 Das Referenzsystem – Diskretisierung des Zustandsmodels des Zweimassen-Schwingers: Detaillierte mathematische Beschreibung der Diskretisierung des Referenzsystems für die Vorsteuerung.
9 Herleitung der Konstante zur Manipulation des Trägheitsmoments des Maschinensatzes: Erläuterung der Methodik zur Simulation variabler Trägheitsmomente am starren Prüfstand.
10 Signalflussplan zur regeltechnischen Nachbildung des Zweimassen-Schwingers an einem starr gekoppelten Maschinensatz: Zusammenfassung der vollständigen Regelstruktur zur Umsetzung.
11 Berechnung der Drehmoment-Anforderung an den Laststromrichter: Analytische Bestimmung der benötigten Drehmomente und Schaltfrequenzen.
12 Die Anpassungskonstanten KB und KT: Untersuchung und Einstellung der Konstanten zur Stabilisierung der Regelstruktur.
13 Drehzahlregelung des Zweimassen-Schwingers-Systems: Entwurf und Implementierung der Zustandsregelung für variable Drehzahlprofile.
14 Eigenschaften von Achsen und Wellen auslegen: Berechnungsverfahren zur mechanischen Auslegung und Sicherstellung der Tragfähigkeit der Antriebskomponenten.
15 Prozesstechnische Umsetzung der regeltechnischen Nachbildung des Zweimassen-Schwingers an einem starr gekoppelten Maschinensatz in einer Hardware-in-the-Loop Umgebung.: Detailliertes Tutorium zur SPS-Programmierung und Inbetriebnahme am Prüfstand.
16 Matlab-Programm für die Simulation und Berechnung der Parameter für die Anwendung in der HIL und SIL: Dokumentation der verwendeten Matlab-Skripte für die Parameterberechnung.
Schlüsselwörter
Zweimassen-Schwinger, Drehzahlregelung, Maschinensatz, Hardware-in-the-Loop, HIL, SPS-Programmierung, Differenzialgleichung, Zustandsregelung, Last-Weg, Trägheitsmoment, Antriebstechnik, Matlab, Simulink, Regelstruktur, Automatisierungstechnik
Häufig gestellte Fragen
Was ist das Hauptziel dieser Arbeit?
Das Hauptziel ist die Entwicklung und Implementierung einer Regelstruktur, die an einem starren Maschinensatz das dynamische Verhalten eines Zweimassen-Schwingers mit variablem Trägheitsmoment nachbildet.
Welche mathematischen Methoden werden zur Modellierung genutzt?
Die Arbeit nutzt Differenzialgleichungen, Laplace-Transformationen und exakte Z-Transformationen, um kontinuierliche physikalische Modelle in ein zeitdiskretes Zustandsraummodell für die SPS zu überführen.
Wie wird die Hardware-in-the-Loop (HIL) Umgebung genutzt?
In der HIL-Umgebung werden die theoretisch hergeleiteten Regelalgorithmen mittels IEC 61131-3 SPS-Programmierung auf den Leitrechner des realen Maschinenprüfstandes übertragen und getestet.
Welche Rolle spielen die Anpassungskonstanten KB und KT?
Sie dienen dazu, das reale Systemverhalten an das Referenzsystem anzupassen und Instabilitäten auszugleichen, die durch Totzeiten der Stromrichter entstehen können.
Wie erfolgt die mechanische Auslegung?
Die Auslegung von Achsen und Wellen erfolgt nach DIN 743 unter Berücksichtigung von Federsteifigkeit, Tragfähigkeit, Biegebeanspruchung und kritischer Drehzahlen, um Dauerbrüche zu vermeiden.
Warum wird eine Rampenfunktion verwendet?
Die Rampenfunktion dient dazu, mechanische Belastungen bei Sprüngen zu minimieren und die Antriebswelle vor unzulässigen Verformungen oder Bruch zu schützen.
Welche Bedeutung hat das "Referenzsystem" im Modell?
Das Referenzsystem bildet das theoretische Ideal eines Zweimassen-Schwingers in diskretisierter Form ab und fungiert als Sollwertvorgabe für die Vorsteuerung des realen Maschinensatzes.
Wie wird das Rauschen der Sensoren im System kompensiert?
Das Rauschen der Winkelgeschwindigkeitssensoren wird softwareseitig durch Begrenzer-Funktionen im SPS-Programm eliminiert, um falsche Berechnungen der Regelgrößen zu verhindern.
- Arbeit zitieren
- Ersan Ibrahimi (Autor:in), 2020, Regeltechnische Nachbildung eines Zweimassen-Schwingers an einem starr gekoppelten Maschinensatz und prozesstechnische Umsetzung in einer Hardware-in-the-Loop-Umgebung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1330387
