Untersuchung der Realisierbarkeit der Regelung eines flexiblen Arms

Diese Arbeit entstand im Rahmen einer Studienarbeit am Fachgebiet für Mess- und Regelungstechnik der Universität Duisburg. Ziel der Arbeit war der Entwurf eines Prototyps für einen Laborversuch mit einem elastischen Manipulatorarm.

Neben der Regelung der Armposition fand hierbei die kostengünstige und marktübliche Realisierbarkeit der Messung der Armposition besondere Beachtung. Auf der Basis des mathematischen Modells wurden anschließend geeignete Regelalgorithmen mit Hilfe von MATLAB/Simulink untersucht und in Bezug auf ihre praktische Einsetzbarkeit hin analysiert. Dazu wurde u.a. ein Windows-Programm in an Anlehnung an vorhandene Simulations- und Regelprogramme für Laborversuche entwickelt, um durch Simulation Aussagen über die Realisierbarkeit der Regelalgorithmen, sowie die Abtastraten und die Genauigkeit der Lagesensoren zu erhalten.

Inhaltsverzeichnis

• 1 Modellbildung des elastischen Arms
• 1.1 Übersicht
• 1.2 Mathematische Beschreibung des elastischen Arms
• 1.3 Zustandsraummodell
• 1.4 Parameter für die Armsimulation
• 1.5 Simulationsergebnisse des ungeregelten Arms
• 2 Messung der Arm-Position
• 2.1 Darstellung verschiedener Meßverfahren
• 2.1.1 Messung des Winkels → und der Winkelgeschwindigkeit →
• 2.1.2 Messung der Arm-Position mit optischen Sensoren
• 2.1.3 Messung der Arm-Position mit Dehnungsmeßstreifen
• 2.1.4 Messung der Arm-Position mit Beschleunigungssensoren
• 2.2 Vergleich der Meßverfahren und Auswahl einer Realisierungsform
• 2.3 Mathematische Beschreibung der Messung mit Dehnungsmeßstreifen
• 2.3.1 Anzahl und Lage der DMS
• 2.3.2 Ungenauigkeiten und Fehlerquellen bei DMS
• 3 Systemanalyse und Regelungsentwurf
• 3.1 Übersicht
• 3.2 Analyse der Systemdynamik.
• 3.2.1 Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit
• 3.2.2 Pole und Nullstellen des offenen Systems.
• 3.3 Entwurf eines reduzierten Beobachters
• 3.4 Alternative Möglichkeit zur Bestimmung von q₁ und 92
• 3.5 Darstellung der Regelungskonzepte
• 3.5.1 Zustandsregelung mit Polvorgabe
• 3.5.2 Optimale Zustandsregelung
• 4 Beschreibung des Simulationsprogramms
• 4.1 Übersicht
• 4.2 Diskretes Streckenmodell.
• 4.3 Diskrete Regelung
• 4.3.1 Pole des geschlossenen Regelkreises bei Polvorgabe
• 4.3.2 Pole des geschlossenen Regelkreises bei optimaler Zustandsregelung
• 4.4 Beobachter
• 4.5 Algorithmus zur alternativen Bestimmung von ġ₁ und ġ2
• 4.6 Programmstruktur
• 5 Simulation des geregelten Systems
• 5.1 Allgemeine Bemerkungen
• 5.2 Simulation des vollständigen Systems
• 5.3 Simulation des gefilterten Systems
• 5.3.1 Simulation mit Beobachter.
• 5.3.2 Simulation mit dem Differenzierungs-Algorithmus
• 5.4 Simulation mit fehlerhaft angebrachten DMS
• 5.5 Beurteilung
• 6 Windows95/98-Programm zur Simulation
• 6.1 Überblick
• 6.2 Erläuterungen und Festlegungen
• 6.3 Programmcode

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Die vorliegende Studienarbeit befasst sich mit der Untersuchung der Realisierbarkeit der Regelung eines flexiblen Arms. Ziel ist es, ein Regelungssystem zu entwickeln, das die Position des Arms präzise und stabil steuern kann, trotz seiner elastischen Eigenschaften.

• Modellierung der elastischen Armdynamik
• Entwicklung geeigneter Messverfahren zur Positionsbestimmung
• Analyse und Entwurf von Regelungskonzepten
• Simulation des geregelten Systems
• Realisierung eines Windows-Programms zur Simulation des Systems

Zusammenfassung der Kapitel

• Kapitel 1 beschäftigt sich mit der mathematischen Modellierung des elastischen Arms. Es werden verschiedene Ansätze zur Beschreibung der Dynamik des Arms vorgestellt und ein Zustandsraummodell erstellt.
• Kapitel 2 behandelt die Messung der Arm-Position. Es werden verschiedene Meßverfahren vorgestellt und ihre Eignung für die Regelung des Arms bewertet. Schließlich wird die Messung mit Dehnungsmeßstreifen als Realisierungsform ausgewählt.
• Kapitel 3 befasst sich mit der Systemanalyse und dem Entwurf von Regelungskonzepten. Die Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit des Systems werden untersucht und ein reduzierter Beobachter entwickelt. Zwei alternative Regelungskonzepte, die Zustandsregelung mit Polvorgabe und die optimale Zustandsregelung, werden vorgestellt.
• Kapitel 4 beschreibt das Simulationsprogramm, das zur Simulation des geregelten Systems verwendet wird. Es werden die diskreten Modelle des Arms und der Regelung sowie die Algorithmen für den Beobachter und die alternative Positionsbestimmung erläutert.
• Kapitel 5 präsentiert die Ergebnisse der Simulation des geregelten Systems. Es werden verschiedene Simulationsfälle betrachtet, darunter die Regelung mit Beobachter, mit Differenzierungs-Algorithmus und mit fehlerhaft angebrachten DMS.
• Kapitel 6 beschreibt ein Windows-Programm zur Simulation des Systems. Das Programm bietet eine grafische Benutzeroberfläche zur Einstellung der Simulationsparameter und zur Visualisierung der Simulationsergebnisse.

Schlüsselwörter

Flexible Arme, Regelungstechnik, Zustandsraummodell, Dehnungsmeßstreifen, Beobachter, Zustandsregelung, Polvorgabe, optimale Zustandsregelung, Simulation, Windows-Programm

Details

• Hochschule: Universität Duisburg-Essen (Fachgebiet Mess- und Regelungstechnik)
• Note: 1,3
• Autor: Dr. Jens Hilgert (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2001
• Seiten: 57
• Katalognummer: V20907
• ISBN (eBook): 9783638246651
• ISBN (Buch): 9783638731539
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: Untersuchung Realisierbarkeit Regelung Arms