Das Ziel unserer Diplomarbeit war es, eine Metallkugel in einem magnetischen Feld zum Schweben zu bringen. Die Lage der Kugel im dreidimensionalen Raum wird mittels einer Videokamera und einem Bildverarbeitungs-System ermittelt. Das Feld soll mit einem senkrecht über der Kugel liegenden Elektromagneten erzeugt werden.

Die erste Aufgabe bestand darin das Kamerasystem in Betrieb zu nehmen und dafür zu sorgen, dass die Positionswerte des Bildverarbeitungs-Systems in das Real-Time-Werkzeug Real-Link eingelesen werden können. Um einen Regler zu dimensionieren mussten wir ein Modell für unsere Regelstrecke finden. Da wir vom Kamerasystem abgetastete Werte erhalten, diskretisierten wir unser kontinuierliches Modell der Regelstrecke. Mit Hilfe des Root-Locus-Tools von Matlab dimensionierten wir einen diskreten Kompensator. Die Erkenntnis, dass sich ein Kompensator nur bedingt für eine Regelstrecke 6. Ordnung eignet, brachte uns dazu, einen Zustandsregler mit Beobachter zu entwerfen, mit dem Vorteil, dass mehrere Zustände in die Regelung einbezogen werden. Um unsere nichtlineare Regelstrecke mit einem adaptiven Zustandsregler zu regeln, betrachten wir alle Signale während eines Taktzyklus als konstant und berechnen die Rückführkoeffizienten jeweils neu. Die Simulation mit dem entworfenen Regler verlief befriedigend, kommt aber für die Echtzeit-Anwendung nicht in Frage, da der Regleralgorithmus zu viel Rechenzeit beansprucht. Um den Regler zu beschleunigen verwendeten wir Look-Up-Tabellen, welche mit dem Regler in C implementiert werden mussten, um sie ins Real-Link einbinden zu können. Obwohl ein richtiges Regelverhalten ersichtlich ist, kam die Kugel nicht zum Schweben. Unserer Meinung nach sind wir nicht weit vom Ziel entfernt, doch fehlte uns am Schluss die Zeit, um weitere Untersuchungen anzustellen. Trotzdem war es eine interessante Arbeit, bei der wir verschiedene Reglertypen und Simulationswerkzeuge mit deren Tücken kennenlernten.

In dieser Diplomarbeit strebten wir das Ziel an, das Truckmodell mit einer Regelung auszurüsten. Der Regler sollte die Zugmaschine mit angekuppelten Auflieger selbständig rückwärts manövrieren können. Die Streckenführung wird dabei durch einen am Boden verlegten Führungsleiter vorgegeben. Mit dem erreichten Stand können wir zufrieden sein. Geradlinige Strecken und Kurven bis drei Meter Radius stellen für den entworfenen Regler kein Problem dar.

Die Arbeit zeigt, wie sehr sich ein Regelungstechniker mit dem zu regelnden Objekt befassen muss. Bevor der eigentliche Entwurf des Reglers beginnen kann, gilt es verschiedene Probleme zu lösen, welche mit Übertragungsfunktion, Wurzelortskurve, Zustandsregelung und dergleichen nichts zu tun haben. Durch diese Arbeit konnten wir deshalb auch ausserhalb der Regelungstechnik wertvolle Erfahrungen und nützliches Wissen sammeln.

In dieser Arbeit geht es darum, eine kardanisch gelagerte Propellerplattform zu entwickeln. Die Grössen Nick-, Roll- und Gierwinkel sowie der Gesamtschub dieser Plattform sollen geregelt werden können. Dazu ist die sogenannte FlyCat mit vier Elektromotoren inklusive Getrieben und Propellern ausgerüstet. Für die Stromversorgung der Motoren werden Autoakkus eingesetzt. Als Sollwertgeber dient eine handelsübliche Fernsteuerung. Es soll nun mit einem digitalen Signalprozessor eine diskrete Zustandsregelung konzipiert werden, welche in der Lage ist, die beschriebenen Grössen zu regeln. Die Sensoren sowie deren Auswertung sollen den Anforderungen entsprechend entwickelt werden. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit besteht darin, eine Datenverbindung zwischen dem regelnden Signalprozessor und einem PC zu realisieren, womit die auftretenden Grössen der Plattform in Echtzeit visualisiert werden können.

Die gestellten Aufgaben konnten erfolgreich realisiert werden. Alle erwähnten Grössen lassen sich sehr zufriedenstellend regeln. Die Datenverbindung zum PC sowie eine 3D-Darstellung der Plattformlage wurden verwirklicht. Der Entwicklungsfluss verlief meist geradlinig, das heisst, unsere Ideen stellten sich zwar immer als realisierbar heraus, trotzdem traten unvorhergesehene Probleme auf. Bedingt durch vorhandene Vibrationen waren wir gezwungen, die Sensorsignale zu filtern. Die daraus folgenden Signalverzögerungen beeinträchtigten die Regelung untolerierbar. Der Einsatz eines Beobachters brachte im Hinblick auf das Führungsverhalten eine enorme Verbesserung. Da die Plattform in einem geschlossenen Raum betrieben wird, treten zum Teil starke Turbulenzen auf. Diese Störungen können mit dem eingesetzten Regler-/Sensorsystem nur mässig korrigiert werden. Trotzdem ermöglichte uns diese Arbeit tiefe Einblicke in ein sehr breites Spektrum, welches von Regelungstechnik, digitaler Signalverarbeitung, über Filtertheorie bis zur Mikroelektronik reichte.

In dieser Diplomarbeit wurde eine Steuerung für einen Industrie-Roboter entworfen. Als erstes wurde das System genau identifiziert, um ein gutes mathematisches Modell zu finden. Dabei stellte sich heraus, dass die aus den Identifikationen gefundenen Regelstrecken bei höheren Frequenzen grosse Abweichungen aufweisen. Die Gründe für diese Abweichungen sind die unterschiedlichen Messsignale, die Begrenzungen der unterlagerten Regelkreise, die verschiedenen Gewichte der Greifer und das Messen an verschiedenen Top-Loadern. Um einen Regler zu entwerfen, wählten wir eine Regelstrecke aus, deren Verhalten im Vergleich zu den anderen, durchschnittlich war. Für die Realisierung des Reglers entschieden wir uns für eine PC-basierte Lösung, da man bei der Gestaltung des Reglers sehr flexibel ist und Funktionen zur Berechnung der Bahnkurve übernehmen kann. Nach den ersten Messungen bestätigte sich, dass ein P-Regler für eine gute Positionsregelung genügt.

Damit der am Arm angebrachte Greifer den gewünschten Weg im Raum fährt, muss als Positionssollwert eine Bahnkurve vorgegeben werden. Der Verlauf dieser Kurve wird durch Punkte im Raum (Teach-in) vorgegeben. Um eine Kurve durch diese Punkte zu legen, wurden verschiedene Interpolationsverfahren verwendet. Für die so erhaltene Bahnkurve, müssen aus den Koordinatenpunkten die Winkel der beiden Achsen berechnet werden.

Sowohl die Positionsregelung als auch die Bewegung des Greifers entlang einer vorgeschriebenen Bahnkurve wurden durch eigens entworfene grafische Simulationsprogramme getestet.

An unserem zweiten Versuchstag in der SIG wurden verschiedene Probeläufe mit der Anlage gefahren. Dabei bestätigte sich, dass der P-Regler für die Positionsregelung gute Resultate liefert und die Bewegung entlang der Bahnkurve unseren theoretischen Berechnungen gut entspricht.

Die Aufgabe dieser Arbeit bestand darin, zwei, über DC-Motor angetriebene und mechanisch gekoppelte Schlitten auf eine konstante Geschwindigkeit zu regeln. Diese Schlitten tragen ein Spiegelsystem, das der digitalen Belichtung von Photoabzügen dient. Als Ziel sollten die beiden Schlitten in 100ms auf ihre Fahrgeschwindigkeiten von 6Zoll/s und 3Zoll/s beschleunigt und diese in einem Toleranzband von 0.5% ausgeregelt werden. Neben diesem Ziel stand immer auch im Vordergrund, die Realisierbarkeit mit dieser neuen Anordnung abzuklären (die bisherige Lösung hat einen Schrittmotor als Antrieb).

Für die Implementierung eines Reglers entschieden wir uns für einen DSP. Für die Messung der Geschwindigkeit stand uns ein Linearmassstab mit einem Inkrementalsensor zur Verfügung, der zunächst ein Positionssignal des Schlittens erzeugte. Mittels Ableitungsalgorithmus, der im DSP programiert wurde, erzeugten wir aus diesem Positionssignal ein Geschwindigkeitssignal. Die Systemidentifikation erfolgte mittels Bodediagramm und Schrittantwort. Die Identifikation zeigte, dass es sich hierbei zwar um ein System höherer Ordnung handelt, das jedoch einen sehr dominanten Pol aufweist. Somit wurde die Strecke vorläufig als PT1-Glied angesehen und die übrigen Wurzeln (Pole und Nullstellen) vernachlässigt. Aufgrund der Identifikation entschieden wir uns, einen Regelkreis mit einem PI-Regler aufzubauen. Messungen mit diesem Regelkreis zeigten, dass aufgrund zweier verschiedener Störungen (Motorachse, mechanische Resonanz) das vorgegebene Toleranzband nicht eingehalten werden konnte.

Abschliessend wurden die Forderungen nicht ganz erreicht. Um eine Verbesserung zu erreichen, müsste man den Problemen mit der Motorachse genauer nachgehen, eventuell den Motor mit einer höheren Drehzahl betreiben und die Messwerterfassung etwas ausgeklügelter gestalten. Grundsätzlich kann aber gesagt werden, dass der Antrieb dieses Systems mittels DC-Motor und Geschwindigkeitsregelung möglich ist.

Unsere Aufgabe lautete, ein mikrokontroller-gesteuertes Antriebssystem einer Schiebetüre an eine Drehflügeltüre anzupassen. Dieser Auftrag kam von der Firma Record, die Antriebsysteme für automatische Türen herstellt. Da dieses Projekt vor allem dem Wissenstransfer dient, haben wir darauf geachtet, einfache überschaubare Konzepte anzuwenden.

Ein Teil der Arbeit bestand darin, den bestehenden klassischen Regler anzupassen. Diese Aufgabe wurde von M. Berweger ausgeführt. Er entwickelte einen Stromregler, einen Geschwindigkeitsregler und einen Positionsregler. Es gelang ihm, den Geschwindigkeitsregler breitbandig auszulegen, sodass für alle Anwendungsfälle ein einziger Regler genügt. Dieser Regler ist in der Lage, einem beliebigen Geschwindigkeitsprofil zu folgen.

Eine andere Aufgabe bestand darin, das System mit einem Fuzzy-Controller zu regeln. Das Entwickeln des Fuzzyreglers wurde von L. Bert übernommen. Der Fuzzy-Controller wurde mit dem Werkzeug Fuzzy-Toolbox von Matlab 5.2 entworfen und in Matlab/Simulink ausgetestet. Die Tests wurden an dem von uns gebildeten Modell durchgeführt. Anschliessend wurde aus den Daten des Fuzzy-Controllers eine Matrix gebildet, die im mC implementiert den Fuzzy-Controller simuliert. Auch hier gelang es, mit nur einem Fuzzy-Controller den ganzen Anwendungsbereich abzudecken.

Vergleicht man den klassischen Regler mit dem Fuzzyregler, so fällt auf, dass der Fuzzyregler ohne ein Geschwindigkeitsprofil universell in jedem Arbeitspunkt einsetzbar ist. Andererseits kann der klassische Regler einem Geschwindigkeitsprofil genau folgen, während das Fahrverhalten des Fuzzyreglers recht diffizil zu handhaben ist.

Auf den bereits bestehenden klassischen Regler der Firma Record wurde nicht eingegangen, da dieser eine komplett andere Struktur aufweist.

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.

Die Anlage wurde mit dem neuen Steuer und Visialisierungsprogramm LabVIEW ausgerüstet, welches mehr Komfort und Möglichkeiten als das bisherige Lab Tech bietet. Es galt nun, die in Lab Tech verwirklichten Entwicklungen in LabVIEW umzusetzen. Die Regelstrategie und das Hausmodel wurden überprüft und wo nötig, verbessert. Der Soleregler und einige Reglereinstellungen wurden neu überdacht und erfolgreich verändert. Die umgesetzten Konzepte zur Innentemperaturregelung erlauben die Verwendung von Meteodaten und Wetterprognosen. Wie die abschliessenden Messungen zeigen, wurden die Ergebnisse unserer Vorgänger verbessert oder zumindest egalisiert.

Das neue Softwarepaket LabVIEW bildet eine vernünftige Grundlage um das Potential der Wärmepumpenanlage voll auszuschöpfen. Es können alle Mess-und Ausgabewerte in einem File gespeichert, oder online mit Hilfe von Graphen verfolgt werden.

Am Institut für Hygiene und Arbeitsphysiologie (IHA) der ETH Zürich wird die Akkommodation (Fokussierung) des menschlichen Auges untersucht. Dazu wurde ein Apparat entwickelt, der die Akkommodation zeitlich kontinuierlich erfasst.

Mit einer infraroten Lichtquelle wird das Auge beleuchtet. Der Lichtstrahl wird auf der Netzhaut reflektiert. Durch nachführen eines Sensors auf die Lage des Brennpunktes des reflektierten Signals kann eine Aussage über die Akkommodation des Auges gemacht werden. Bei der Messung treten jedoch regelungstechnische Instabilitäten auf und das Sensorsignal hat einen kleinen Rauschabstand, so dass eine exakte Messung der Akkommodation nicht möglich ist.

Die Regelstrecke wurde in einer Vorarbeit identifiziert. Dabei wurde nebst anderen Ungereimtheiten eine grosse Totzeit des Systems festgestellt. Aufgrund dieses Sachverhalts wurde eine Regelung mit einem Prädiktor vorgeschlagen, der die Totzeit softwaremässig eliminieren soll.

In dieser Arbeit ging es darum die Identifizierung der Regelstrecke nachzuvollziehen und den Regler mit Prädiktor zu implementieren, auszutesten und zu optimieren. Nebst der Identifikation wurde nach der Ursache der Ungereimtheiten gesucht, um mögliche Fehlerquellen zu beseitigen insbesondere diejenige, welche die Totzeit bestimmen.

Die Ursachen konnten weitgehend identifiziert werden. Um diese zu eliminieren, wurde ein neues Konzept entworfen, implementiert und ausgetestet. Dadurch konnte die Totzeit hardwaremässig minimiert und die Regelung dadurch breitbandiger gemacht werden.

Als weitere Arbeit kann nun der neue Regler genauer untersucht und optimiert, sowie mit dem alten Regler verglichen werden.