Unsere Aufgabe war es, für das Verladekran-Modell den vorhandenen zeitdiskreten Zustandsregler, welcher lediglich die X-Position (links/rechts) der Last regelte, so zu erweitern, dass auch die Y-Position (auf/ab) der Last geregelt werden kann. Dabei soll nicht die Seillänge, sondern die Lasthöhe geregelt werden. Zu diesem Zweck war eine neue Modellbildung erforderlich, in welcher die Seillänge nicht mehr als Parameter, sondern als weitere Zustandsgrösse erscheint. Das bedeutet, dass das neue System zwei Ein-, sowie zwei Ausgänge hat. Aus diesem Grund mussten wir mit einem "Multiple In Multiple Out"-System (MIMO) arbeiten.

Alphasem ist ein Hersteller spezieller Maschinen, welche für die Herstellung integrierter Schaltungen benötigt werden, um die Halbleiterchips in ihren schützenden Gehäusen zu verpacken. Bei diesem Vorgang kommt es auf einen sehr hohen Durchsatz und eine hohe Genauigkeit an, der entsprechend leistungsfähige Positionierantriebe erfordert.

In unserer Diplomarbeit hatten wir die Aufgabe, für einen luftgelagerten Linearmotor einen hochdynamischen Positionsregelkreis zu realisieren. Wir verwendeten einen Linearmotor mit zugehörigem Servokontroller des Herstellers ETEL SA, dessen Positionsregelung wir im Auftrag der Firma Alphasem zu verwirklichen hatten. Alphasem schrieb vor, dass ein Positioniervorgang von 400mm mit S-förmigem (ruckfreiem) Geschwindigkeitsverlauf innerhalb von 140ms auf 5m genau zu erfolgen hat.

Unsere Arbeitsumgebung bestand aus dem luftgelagertem Linearmotor, einem Servokontroller, in welchem die gesamte Leistungselektronik, die Regelkreise, diverse Schutzfunktionen sowie verschiedene Kommunikationsschnittstellen untergebracht sind, und einem Rechner mit installierter Software zur Steuerung und zur Überwachung des gesamten Linearantriebs.

Wegen der Luftlagerung ist die Dämpfung des Systems sehr klein, was bei ungünstiger Wahl der Reglerparameter schnell zur Instabilität führen kann. Wir optimierten zuerst den Stromregelkreis, damit dieser so schnell wie möglich wurde. Danach integrierten wir den Stromregelkreis in den Positionsregelkreis und optimierten diesen mit diversen Messungen und Simulationen. Wir entwickelten ein mathematisches Modell, welches optimale Reglerparameter für verschiedene Massen auf einfache Art und Weise zu berechnen erlaubt und bestätigten dies durch Messungen. Es gelang uns, die von Alphasem gestellten Forderungen bezüglich der Positionierzeit und der Genauigkeit zu erfüllen.

Das Technikum Winterthur besitzt eine drehzahlregulierbare Sole/Wasser - Wärmepumpenanlage für Versuchszwecke. Die Energie wird einem elektrisch beheizten Solekreislauf entzogen und über einen Wärmetauscher im Verbraucherkreislauf an kühlem Frischwasser abgegeben.

Durch ein mathematisch nachgebildetes Hausmodell wird die Leistungsabgabe geregelt und somit der Verbraucher simuliert. Dem Modellhaus kann ein zeitlicher Verlauf der Aussentemperatur und der Sonneneinstrahlung vorgegeben werden.

Es wurde eine Regelstrategie für die gesamte Anlage entwickelt, welche die Innentemperatur des Hauses auf einem möglichst konstanten Sollwert hält und dabei selbständig einen kosten- und energieoptimierten Betrieb fährt. Dazu wurde auch die Information einer Wettervorhersage mitverwendet. Alle Regler des Prozessleitsystems wurden mit Fuzzy Control realisiert. Durch Bilden von unterlagerten Regelkreisen wurde eine Simulation des gesamten Systems ermöglicht. Die Hauptregler konnten dadurch mit Hilfe der Simulation optimiert werden, und zeigten schon beim ersten Einsatz an der Anlage das gewünschte Verhalten.

Beim Modell "Pendel in einer schiefen Ebene" handelt es sich um eine Studentenidee, welche von Beginn an bis zu deren Realisierung vom selben Team bearbeitet wurde. An der Unterseite eines bewegbaren Positionierungswagens hängt ein frei schwingendes Pendel. Der Wagen soll derart auf der schiefen Ebene vom Ort A nach B bewegt werden, sodass das Pendel am Zielort B sanft ans Zielobjekt anlegt. Das Pendel darf am Zielort nicht überschwingen. Zu Beginn der Diplomarbeit erfolgte die Endmontage der selbst konzipierten Mechanik. Danach wurde das Modell verdrahtet, die Sensoren montiert und die benötigten Elektronikschaltungen entworfen. Für die Regelung des nichtlinearen instabilen Pendelmodells setzten wir einen Zustandsregler ein. Da nur drei von vier Zuständen gemessen werden können, entwarfen wir zur Schätzung des fehlenden Zustandes einen reduzierten Beobachter.Für uns als angehende Elektroingenieure war diese Diplomarbeit eine grosse Herausforderung, da zu dessen Lösung ein fachübergreifendes Wissen benötigt wurde.

Bestimmt hat jeder einmal versucht einen Besen auf der Hand zu balancieren. Unser Diplommodell aufrechtes Pendel' basiert auf demselben Prinzip. Das Modell besteht aus einem Wagen, an dem ein Stab an einer Achse befestigt ist. Der Stab kann sich frei um die Achse bewegen (kein Antrieb). Es ist nun die Aufgabe den Wagen so zu steuern, dass der Stab senkrecht nach oben balanciert wird. Als weitere Schwierigkeit muss der Wagen den Stab an wählbaren Positionen balancieren.

Wie Sie beim Balancieren des Besens sicherlich bemerkt haben, ist das System instabil. Um einen Stabilisierungsregler entwerfen zu können, war es also nötig ein mathematisches Modell zu bilden.Mit diesem Modell ist es nun auf verschiedene Arten möglich Regler zu entwerfen, welche die gestellten Anforderungen erfüllen.

Eine weitere Aufgabe war, einen Selbstaufrichtemodus zu entwerfen. Er soll den hängenden Stab durch aufschwingen in die aufrechte Position bringen. Das System des hängenden Pendels ist stabil. Um ein Aufschwingen des Pendels zu erreichen, muss das System mit einem geeigneten Regelungskonzept instabil gemacht werden. Die Suche nach einem geeigneten Regelungskonzept war schwieriger als ursprünglich angenommen. Wir können aber trotzdem eine gute bis sehr gute Lösung präsentieren.

Jetzt konnten wir den Selbstaufrichtemodus und den Stabilisierungsregler kombinieren.Das Pendel wird in hängender Position gestartet, schwingt in ca. 6 Sekunden auf und wird vom Stabilisierungsregler in der aufrechten Position balanciert. Versetzt man dem Pendel in der aufrechten Position einen Schlag, versucht der Stabilisierungsregler den Schlag aufzufangen, gelingt dies nicht, fällt das Pendel nach unten und schwingt erneut auf.

In dieser Diplomarbeit ging es darum, basierend auf der Projektarbeit Wl_PA1_98_3 verschiedene mögliche Regler für das Helikoptermodell zu entwickeln. Im Weiteren wurden die Kreuzkopplung des mehrachsigen Helikoptermodells untersucht.

In einem ersten Schritt mussten Unzulänglichkeiten von unserer Projektarbeit überarbeitet werden. Es stellte sich heraus, dass eine nichtlineare Funktion falsch identifiziert wurde. Auch wurde das nichtlineare Modell in unserer letzten Projektarbeit am falschen Ort linearisiert.

Nach diesen Korrekturen konnte eine nichtlineare Simulation erstellt werden, mit welcher die Realität sehr gut beschrieben wurde. Diese ermöglichte uns die Darstellung aller gewünschten Grössen, welche viel zum Verständnis beigetragen haben.Mit Hilfe des linearisierten Modells konnten verschiedene Regler berechnet werden. Die gefundenen Regler konnten am nichtlinearen Modell simuliert werden. Somit konnte beurteilt werden, ob der dimensionierte Regler im linearen rechenbaren Bereich arbeitet oder im nichtlinearen Bereich. Es wurde festgestellt, dass ein im nichtlinearen Bereich arbeitender Regler wesentlich besseres Führungsverhalten zeigen kann.

An unserem zweiachsigen Helikoptermodell wirkt die eine Achse auf die andere ein. Da dies bei beiden Achsen der Fall ist, spricht man von einer Kreuzkopplung. Mit einer Störgrössenaufschaltung wird dieser Einfluss reduziert.Da die Störgrösse nicht direkt gemessen werden konnte, musste sie mit unserem Modell berechnet werden. Die Störgrössenaufschaltungen wurden jeweils für die eingesetzten Regler optimiert.

Mit unseren Regelstrukturen konnten die Grenzen des Möglichen für die Stabilisierung des instabilen Helikoptermodells klar aufgezeigt werden.

Die verschiedenen Regler mit den Störgrössenaufschaltungen wurden mit Hilfe von Matlab berechnet. Das nichtlineare Helikoptermodell wurde in Simulink implementiert und simuliert. Mit RealLink32 konnte der Reglerprozessor leicht programmiert werden.