Zu Beginn der Diplomarbeit testeten wir die Hard- und Software, die später den Helikopter regelte. Die Software RealLink32 ist Matlab und Simulink orientiert und bietet somit ein relativ einfaches Entwurfswerkzeug zur Auslegung von Reglern. Dank der schnellen Abtastzeiten war es nicht nötig, die Regler im zeitdiskreten Be- reich auszulegen, da wir uns im quasikontinuierlichen Bereich befanden. Die Regler konnten im Laplace-Bereich beschrieben werden.Für das Auslegen der ersten Regler verwendeten wir die Übertragungsfunktionen aus den vorhergegangenen Diplom- und Projektarbeiten. Bei der Echtzeit Simulation am realen Helikopter merkten wir bald, dass die verwendeten Prozess-Modelle sehr ungenau sind. Mit Hilfe der ETH-Unterlagen entwarfen wir ein vereinfachtes Blockschaltbild für den Haupt- sowie für den Heckrotor. Mit diesen vereinfachten Blockschaltbildern gelang es uns, einen Zustandsregler mit Beobachter zu entwerfen. Mit dem Zustandsregler erreichten wir ein sensationelles Verhalten beider Rotoren. Den Regler aus der Diplomarbeit 95 für den Hauptrotor konnten wir mit herkömmlicher Regelungstechnik nicht verbessern. Dafür konnten wir dem Heckrotor neue Eigenschaften verleihen. Er reagiert jetzt besser auf Sollwertänderungen und überschwingt dabei praktisch nicht.

Die Aufgabenstellung war, eine zeitdiskrete Regelung der Wippe, aufbauend auf der Projektarbeit 1997, zu entwerfen. In der ersten Phase analysierten wir die alte Projektarbeit, um uns einen Überblick zu verschaffen, was schon gemacht wurde. Anschliessend ging es darum, sich in das Gebiet des digitalen Signalprozessors einzuarbeiten.

Das mathematische Modell der Wippe konnte aus dem RT-Unterricht übernommen werden. Da sich die vorhergehende Gruppe für eine Kaskadenregelung entschieden hatte und sie den inneren Regelkreis schon dimensioniert hatte, konnte nun der äussere Regler in Angriff genommen werden. Zuerst wurde der Ultraschallsensor, der die Kugellage misst, ausgemessen und anschliessend das Ausgangssignal mit Hilfe einer Eichschaltung auf die gewünschten Normsignale gebracht. Der äussere Regler stellte uns aber vor Probleme, denn durch die Vorgabe des inneren PD-Reglers war es nicht möglich, eine geeignete Einstellung für den äusseren PD-Regler zu erhalten.

Durch eine andere Reglerstruktur konnte dieses Problem gelöst werden. Mit Hilfe der Zustandsregelung war es möglich, die Pole des Prozesses so zu legen, dass sich ein gutes Regelverhalten ergab. Mit dieser Regelung konnte die Kugel in ca. 5 Sekunden an jeder beliebigen Position auf der Wippe positioniert werden. Bei grosser Positionsänderung kam aber die Wippe in die Anschläge, doch das System wurde dadurch nicht instabil. Um dies zu verhindern, wurde die sprunghaft ändernde Sollwertvorgabe, die durch schnelles Drehen des Potentiometers entsteht, in eine Rampenfunktion umgewandelt. Zusätzlich wurden noch Überlegungen zu einer adaptiven Regelung gemacht, um das Verhalten der Wippe noch zu optimieren und den Einschwingvorgang zu beschleunigen. Leider konnte diese Regelung zeitlich nicht mehr implementiert werden.

Das Verhalten auf Störungen wurde auch untersucht. Es zeigte sich, dass nichtkonstante Störungen vom Regler ohne Probleme ausgeregelt wurden.

Unsere Aufgabe besteht darin, eine zeitdiskrete Regelung für das auf der Titelseite abgebildete Kranmodell zu entwerfen. Der Regler soll das Schwingen der Last am Haken ausgleichen, so dass die Last in kürzest möglicher Zeit von A nach B z.B. von einem Schiff auf einen Lastwagen verladen werden kann.

Als Regler haben wir ein Zustandsregler gewählt, der eine freie Polvorgabe erlaubt. Der Entwurf basiert auf dem Blatt "Kranmodell" aus dem RT Stoff.Es handelt sich hierbei um ein linearisiertes Modell, bei dem die Grössen XK (X Position der Laufkatze), (Winkel des Kranseils) und (Winkelgeschwindigkeit des Kranseiles) zurückgeführt werden.

Das Anfangs verwendete Motorola 68332 Evaluation Board wurde wegen Fehlfunktionen gegen das 'Minimalsystem 68332' der Ingenieurschule Burgdorf ausgetauscht, welches den selben Prozessor verwendet.

Parallel zur Software entwickelten und bauten wir den Konverter- und Treiberprint, der als Ein-/Ausgabekarte funktioniert. Im weiteren statteten wir das Kranmodell mit diversen Sicherheitselementen aus. So erstellten wir eine funktionierende Endschalterlogik für die X- und Y- Achse und eine Notbremse inkl. Netzteil für die Kranlast.

Bei der Winkelgeschwindigkeitsmessung des Kranseils gab es einige Probleme zu bewältigen. Zuerst gab es wegen eines fehlerhaften Algorithmus Messfehler. Nach der Korrektur wirkte sich die Winkelgeschwindigkeit im besten Fall verlangsamend auf das Modell aus; im schlimmsten Fall reagierte das System instabil. Als Vereinfachung führten wir, nach Überprüfung der neuen Pole, nur noch die Lage der Laufkatze und der Winkel des Kranseils als Regelgrössen zurück. Das System wurde damit stabil und schnell.Leider fehlte uns die Zeit, den Grund für dieses Verhalten zu erforschen.

Für die Demonstration wird der Geschwindigkeitssollwert der Last über einen von uns umgebauten Joystick eingelesen, der Wert integriert und als Positionssollwert an den Regler gegeben.

Gegeben war ein Lastwagenmodell, dessen Fahrbahn durch einen HF-Leiter mit sinusfömigem 1MHz-Signal bestimmt war. Mit Hilfe von induktiven Sensoren und einer Lenkungselektronik sollte das Modell möglichst genau dieser Bahn entlang fahren und Abweichungen selbsttätig korrigieren. Die Aufgabe der Diplomarbeit bestand erstens darin, die Lenkung zu verfeinern, zweitens, die direkt verstellbare Anordnung der Sensoren zu optimieren, und drittens, einen diskreten Regelalgorithmus zur Modellsteuerung zu entwerfen und am Modell zu testen.

Das Lastwagenmodell mit Sensoren und Steuerungselektronik konnte ich von Vorgängern übernehmen, ebenso grosse Teile der Steuerungssoftware.Ich verbesserte die Position der Sensoren, bis ihre stark nichtlinearen Signale symmetrisch wurden und in einem grösseren Arbeitsbereich linearisiert werden konnten. Um die Sensorkennlinien (Schrittantwort, Radwinkel) aufnehmen zu können, baute ich einen separaten Fahrweg mit zwei parallelen Leitern und einem prellfreien Umschalter zwischen den Leitern.

Für die Simulation des Lastwagenmodells entwickelte ich zuerst ein mathematisches Modell der Lastwagenbewegung und ihrer Steuerung. In einer zweiten Phase entwarf ich zwei Regelalgorithmen (mit P-Regler resp. PD-Regler) und verglich sie. Die Regler sind in der Software zum Microcontroller (80C537) enthalten. Ich passte die Software deshalb an diese Regler und mein Lastwagenmodell an. Es zeigte sich, dass der Algorithmus mit dem PD-Regler schneller und stabiler ist.

Die Diplomarbeit befasst sich mit einem intelligenten Akku-Ladegerät, das mit Fuzzy Logik gesteuert wird. Es wurde für gasdichte NiCd-Akkumulatoren entwickelt. Durch den Fuzzy-Regler konnte eine schnelle, schonende Ladung erzielt werden. Ausserdem wird der Memory-Effekt durch das spezielle Ladeverfahren mit kurzen, negativen Entladeimpulsen beseitigt.

Das Ladegerät besteht aus einer Messeinrichtung, welche die Spannung und die Temperatur (mit einem Sensor am Akku gemessen) verstärkt und mit Filtern geglättet in die Schnittstelle eines PC's übergibt. Dort werden diese mit dem Programm Visual Designer verarbeitet. Weil die Signale sehr klein sind, ist ein grosser Filterungs- und Glättungsaufwand nötig.

Alle 26.5 Sekunden wird die Spannung, die Spannungsänderung, die Temperatur und die Temperaturänderung gemessen und berechnet. Via DDE (Dynamic Data Exchange) werden sie ins Matlab übergeben. Dort übernimmt das Fuzzy-Tool die Regelung, berechnet den Ausgangswert des Fuzzy-Reglers und schickt ihn zurück zu Visual Designer. Eine spannungsgesteuerte Stromquelle übernimmt das Signal von Visual Designer und lädt den Akku mit dem geregelten Strom auf.

Das von uns entwickelte Fuzzy-Ladegerät ist in der Lage beliebig aufgeladene NiCd-Akkumulatoren aufzuladen und den Abbruch zuverlässig zu erkennen.

Lärm ist eine unangenehme Sache und passive Schalldämpfungsmassnahmen sind sehr teuer und eher umständlich. Als Alternative dazu kann der Schall auch aktiv mit zwei Mikrofonen, einem Lautsprecher und etwas Elektronik gedämpft werden. Das einfache Prinzip lautet: Mit Lärm Lärm bekämpfen.

Konkret ging es darum, Lärm in einem Rohr (z.B. Lüftung) zu dämpfen. Das Rohrmodell war am Technikum bereits vorhanden.

Das Prinzip der aktiven Schalldämpfung beruht darauf, dass der Lärm mit einem entgegengesetzten Signal ausgelöscht wird. Mit einem Detektionsmikrofon wird der Lärm zuerst erfasst. Mit einen digitalen Signalprozessor wird dann ein geeignetes Signal berechnet, welches auf einen Lautsprecher ausgegeben wird, der sich 1,3m nach dem Detektionsmikrofon im Rohr befindet. Die Berechnung des Antilärmsignals erfolgt mit einem adaptiven FIR-Filter. Die Adaption des Filters geschieht mit dem sogenannten Filtered-X LMS-Algorithmus (Least Mean Square) im Zeitbereich, welcher aufgrund des entstehenden Fehlersignals eines zweiten Mikrofons (0.3m nach dem Antilärmlautsprecher angeordnet) die optimalsten Koeffizienten iterativ einstellt. Um auch die starken Reflexionen an den Rohrenden zu modellieren, muss das FIR-Filter eine Länge von etwa 500 Koeffizienten aufweisen (bei einer Abtastfrequenz von 5kHz ergibt sich eine Impulsantwort von 100ms).

Für breitbandiges Rauschen (50-800Hz) erreichten wir eine Dämpfung von etwa -16dB. Rein subjektiv ist eine markante Dämpfung des Rauschens wahrzunehmen.Einzelne Sinustöne wurden bis zu -40dB abgeschwächt, d.h. am Fehlermikrofon erscheint nur noch das Grundrauschen der Elektronik.

Wir sind überzeugt einen ersten, brauchbaren Schritt auf dem Gebiet der aktiven Schalldämpfung am Technikum Winterthur gemacht zu haben.Als Abschluss der Arbeit stellten wir mögliche Varianten vor, die in zukünftigen Arbeiten noch weitere Kenntnisse über adaptive Algorithmen liefern können und eine noch bessere Dämpfung ergeben.

Die Aufgabenstellung dieser Diplomarbeit lautete, mit Hilfe von Fuzzycontrol eine erste Regelung der im Maschinenlabor installierten BIGA-Wärmepumpenanlage zu realisieren.In einem ersten Schritt wurde der Solekreislauf der Anlage unter Einsatz von konventioneller Regelung soweit realisiert, dass er als autonome, konstante Wärmequelle betrachtet werden kann. Zusätzlich wurde eine Möglichkeit entwickelt, um einen Fuzzyregler, welcher in einem externen Fuzzytool entworfen werden kann, in das vorhandene Prozessleitsystem einzubinden.Da die Wärmepumpenanlage für ein Mehrfamilienhaus ausgelegt ist, jedoch kein physikalisches Modellhaus an der Anlage angeschlossen ist, wurde ein virtuelles, mathematisches und praxisnahes Haus erstellt. Dieses wandelt die an der Anlage messbaren, physikalischen Grössen in solche um, die in einem reellen Haus vorhanden sind und berechnet z.B. die Raumtemperatur. Zusätzlich kann die Auswirkung der Aussentemperatur auf die Innentemperatur des Gebäudes simuliert werden.Parallel dazu wurde ein Fuzzyregler entwickelt der die Innentemperatur des virtuellen Hauses regelt. Dazu verwendet er Informationen, welche vom mathematischen Modell zur Verfügung gestellt werden, und beeinflusst zur Regelung die physikalische Anlage.

Diese Diplomarbeit beinhaltet verschiedene Positionsregelungen eines elektromechanischen Systems im diskreten Bereich. Es stand das Motormodell von AMIRA 300 zur Verfügung, welches über eine A/D-D/A- Wandlerkarte und dem Stellglied verbunden ist. Gemäss Aufgabenstellung soll das Motormodell mittels drei verschiedener Methoden geregelt werden. Der erste Schwerpunkt setzten wir mit der Realisierung und Herleitung eines unterlagerten PI-Reglers für die Geschwindigkeitsstabilisierung und einen überlagerten P-Regler für den Positionsregelkreis. Die Regelung mittels Reglerentwurfsmethoden konnte realisiert werden.Ein zweiter Schwerpunkt war eine Zustandsregelung unter Verwendung des Tachosignals. Diese Aufgabe konnte ebenfalls erfüllt werden, obgleich das Störverhalten nicht zufriedenstellend erfasst werden konnte.Als dritte Regelungsmethode wird eine Zustandsregelung mit Beobachter entworfen. Aus Zeitgünden konnte dieser Regler nicht mehr implementiert und getestet werden. Die Simulation hat gezeigt, dass jedoch eine Realisierung möglich ist. Über die ganze Diplomarbeit konnte das Einlesen über die analogen und digitalen Eingänge nicht immer zufriedenstellend vollzogen werden, welche die Aufnmahme von Frequenzgängen zum Teil verunmöglichte.

Das Ziel unserer Diplomarbeit war, ein geeignetes Objekt in einer dynamisch variierbaren Position frei schwebend halten zu können. Diese Arbeit war die Fortsetzung unserer Projektarbeit Machbarkeitsstudie schwebende Kugel (Wl_PA1_97_2), in der wir ein Modell der Regelstrecke, eine geeignete Spule, eine Kugel und einen Vorschlag für die Sensorik bestimmt hatten. Komponenten wie mechanischer Aufbau, Stellglied und Regler mussten wir noch definieren, evaluieren und nötigenfalls selbst herstellen. Dies aufgrund theoretischer Überlegungen, Berechnungen und Simulationen.Der in der PA vorgeschlagene Sensor war wegen ungenauen Herstellerangaben nicht geeignet. Deshalb evaluierten wir einen zweiten Sensor für die Bestimmung der Kugelposition. Wir entschieden uns für einen Laserabstandssensor und entwickelten dazu einen Adapter. Wir bauten ein Stellglied, das an unsere Bedürfnisse angepasst ist. Ebenfalls optimierten wir die Kugel aus der Projektarbeit. Nachdem wir den mechanischen Aufbau bestimmt hatten, blieb uns nicht mehr viel Zeit für die eigentliche Regelung.Uns gelang es mit zwei verschiedenen Reglerstrukturen das System zu stabilisieren, wobei der eine Regler viel robuster ist und die Kugel in einem grösseren Bereich halten kann. Wir sammelten auch erste Erfahrungen mit adaptiven Reglern.

Zusammenfassung

Für den im RT-Labor vorhandenen 5-Achsen Roboter SMART-ARMS, soll in einer späteren Arbeit eine Bahnsteuerung mit neuronalen Netzwerken realisiert werden. Das Ziel unserer Diplomarbeit bestand nun darin, den Roboter möglichst optimal auf seine spätere Aufgabe vorzubereiten.

Als erstes verschafften wir uns Klarheit über die Signalflüsse und erfassten die vorhandene Elektronik. Dann führten wir Änderungen an den Stellgliedern durch, erfassten die Schwenkbereiche der Achsen und untersuchten die Motoren.Für die fünf Achsen implementierten wir diskrete Regler. Dazu verwendeten wir eine in einer früheren Projektarbeit entwickeltes C-Programm.Schlussendlich schrieben wir ein Pascal-Programm, womit eine einfache Bahn gefahren werden kann.

Stand der Arbeiten:Alle Verbindungen der Stecker und Prints sind aufgelistet.Für jeden Print ist ein separates Schema vorhanden.Die Daten der Schwenkbereiche, Motoren und Umrechnungsfaktoren können nachgeschlagen werden.Es kann innerhalb gewissen Grenzen eine beliebige Bahn in der y-z-Ebene gefahren werden.Alle Achsen sind geregelt.