Realisierung der Regelung eines Laborversuchs mit einem flexiblen Arm


Diplomarbeit, 2000

75 Seiten, Note: 1,0


Leseprobe

Gerhard-Mercator-Universität-Gesamthochschule Duisburg
Fachgebiet Meß- und Regeleungstechnik

Diplomarbeit
zur Erlangung des akademischen Grades Diplom-Ingenieur

Thema:
Realisierung der Regelung eines
Laborversuchs mit einem flexiblen Arm

angefertigt von

Jens Hilgert

Inhaltsverzeichnis

1 Erweitertes Modell des elastischen Arms ... 1
1.1 Übersicht ... 1
1.2 Mathematische Beschreibung des elastischen Arms ... 1
1.3 Reibungsmodell und Berücksichtigung der Strukturdämpfung ... 7
1.4 Zustandsraummodell ... 9
1.5 Parameter des Laborversuches ... 10

2 Messung der Arm-Position ... 11
2.1 Übersicht ... 11
2.2 Messung des Winkels ... 11
2.3 Messung der Armposition mit DMS ... 11
2.3.1 Grundlagen der Messung mit DMS ... 12
2.3.2 Prinzip der DMS-Meßbrücke ... 14

3 Aufbau des Laborversuches ... 16
3.1 Übersicht ... 16
3.2 Mechanischer Aufbau ... 16
3.3 Elektrischer Aufbau ... 19
3.4 Modellierung des Laborversuches ... 20
3.4.1 D/A-Wandler ... 20
3.4.2 Servoverstärker ... 20
3.4.3 Motor ... 20
3.4.4 Inkrementalgeber ... 21
3.4.5 Meßverstärker ... 21
3.4.6 Dehnungsmeßstreifen ... 21

4 Windows-Programm FlexArm ... 23
4.1 Übersicht ... 23
4.2 Bedienung des Programms ... 23
4.2.1 Beschreibung der Menüs ... 25
4.3 Details der Programmierung ... 27
4.3.1 Kalibrierung der Meßeinrichtung ... 27
4.3.2 Sicherheitsabschaltung ... 27
4.3.3 Anmerkungen zu speziellen Klassen und Funktionen ... 28

5 Modell-Verifikation ... 29
5.1 Überblick ... 29
5.2 Parameterbestimmung ... 29
5.2.1 Bestimmung des Elastizitätsmoduls ... 30
5.2.2 Bestimmung der Strukturdämpfung ... 31
5.3 Modellüberprüfung ... 31

6 Regelverfahren für elastische Manipulatoren ... 35
6.1 Einleitung ... 35
6.2 Klassifizierung und Überblick ... 35
6.3 Rahmenbedingungen der Versuche ... 38
6.3.1 Bestimmung der nicht-meßbaren Zustände ... 38
6.3.2 Störgrößenkompensation ... 40
6.4 Experimente mit dem Laborversuch ... 41
6.4.1 Optimale Zustandsregelung ... 41
6.4.2 Polvorgabe ... 47
6.4.3 Abschließende Bemerkungen ... 60

7 Vorschläge über mögliche Experimente ... 61
7.1 Vorschläge ... 61
7.2 Fazit und Ausblick ... 62

A Matlab-Programm zur Modellberechnung ... 63

 

Einleitung
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines, im Rahmen eines Praktikumsversuches einsetzbaren, Prototypen für einen Laborversuch mit einem flexiblen Arm.
Voraussetzung und Motivation für diese Arbeit waren die erfolgreichen Simulationsstudien über die Regelung eines flexiblen Arms, sowie die Untersuchungen über die Realisierbarkeit der Messungen an einem entsprechenden Laborversuch.

Wichtiger Aspekte bei der Realisierung des Prototypen waren zu einem die Auswahl eines geeigneten Stellantriebes, der den dauerhaften Belastungen eines Laborversuches standhalten konnte.
Zum anderen war bei der Materialauswahl zu berücksichtigen, daß die Sprungantwort des flexiblen Arms ein sichtbares Schwingungsverhalten aufweist, ohne dabei plastische Verformungen des Materials hervorzurufen.
Für die Bestimmung der Endpunktposition des flexiblen Arms waren die bereits untersuchten Dehnungsmeßstreifen anzubringen und auszuwerten.
Zur Verifikation des mathematischen Modells und zur Identifikation der Parameter des Versuchsaufbaus sollten experimentelle Untersuchen am Prototypen durchgeführt werden.

Den letzten Schritt bei der Realisierung des Laborversuchs stellte der Entwurf eines Windows-Programms, in Anlehnung an bereits gegebene Reglerprogramme, dar, mit dessen Hilfe sich Aussagen über die Regelgüte und Vorschläge über mögliche Experimente im Rahmen eines Praktikumsversuches treffen lassen.

Kapitel 1 Erweitertes Modell des elastischen Arms
1.1 Übersicht
Das in dieser Arbeit verwendete mathematische Modell basiert auf dem bereits in [14] hergeleitetem Modell des elastischen Arms. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß bei der Modellbildung in [14], die allein der Simulation diente, Vereinfachungen vorgenommen wurden, die bei der Realisierung des Laborversuchs nicht mehr vertretbar sind.

Aus diesem Grund bedarf es an einigen Stellen dieser Arbeit einer Erweiterung des mathematischen Modells. Die folgenden Unterpunkte stellen lediglich die Erweiterung der in [14] angebenen Modellbildung dar 1.

Die Modelländerungen betreffen zum einen Erweiterungen aufgrund des mechanischen Aufbaus des Laborversuches und zum anderen Erweiterungen in Form eines zusätzlichen Reibungsmodells.

1.2 Mathematische Beschreibung des elastischen Arms
Im folgenden Abschnitt werden die Bewegungsgleichungen eines elastischen Arms der Länge l, unter besonderer Berücksichtigung der Gegebenheiten des Laborversuches, mit Hilfe der Euler- Lagrange-Bewegungsgleichungen analytisch modelliert. Der elastische Arm ist an einem Ende über eine Aufhängung mit der Motorwelle verbunden und erfährt dort das Drehmoment T, während sein anderes Ende frei beweglich ist. Im Gegensatz zur Modellbildung in [14] muß hier der Radius r0 der Aufhängung mitberücksichtigt werden.

[...]


1 Aus diesem Grund wurde auf ausführliche Erläuterungen an einigen Stellen verzichtet

Ende der Leseprobe aus 75 Seiten

Details

Titel
Realisierung der Regelung eines Laborversuchs mit einem flexiblen Arm
Hochschule
Universität Duisburg-Essen  (Fachgebiet Mess- und Regelungstechnik)
Note
1,0
Autor
Jahr
2000
Seiten
75
Katalognummer
V20908
ISBN (eBook)
9783638246668
ISBN (Buch)
9783638713283
Dateigröße
916 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Realisierung, Regelung, Laborversuchs
Arbeit zitieren
Dr. Jens Hilgert (Autor:in), 2000, Realisierung der Regelung eines Laborversuchs mit einem flexiblen Arm, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/20908

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