Die Aufgabe dieser Diplomarbeit bestand darin, eine Geschwindigkeitsregelung für ein Spiegelsystem zu realisieren. Das Spiegelsystem besteht aus zwei mechanisch gekoppelten Schlitten, die mit einem DC-Motor angetrieben werden. Das System wird im Bereich Photofinishing (Herstellung von Bildern aus einem belichteten und entwickelten Film) eingesetzt. Das Ziel war, die beiden Schlitten innerhalb von 100 ms auf ihre Sollgeschwindigkeit von 3 Zoll/s bzw. 6 Zoll/s zu beschleunigen. Die Abweichung von der Sollgeschwindigkeit darf maximal 1% betragen. Daneben sollte die neuentwickelte Encoderkarte zur Messung der Geschwindigkeit ausgetestet und in Betrieb genommen werden.

In einer früheren Arbeit konnten die Ziele nicht erreicht werden. Mit einem neuen Messkonzept zur Erfassung der Geschwindigkeit sollten die Vorgaben nun besser erreicht werden. In einem ersten Schritt wurde die dafür neuentwickelte Encoderkarte ausgetestet, verbessert und in Betrieb genommen. Anschliessend stellten wir ein physikalisches Blockschaltbild auf und führten durch verschiedene Messungen am System die Parameteridentifikation durch. Mittels Kontrollmessungen konnten die gefundenen Parameter bestätigt werden. Das gewonnene Modell ermöglichte uns verschiedene Regelalgorithmen zu simulieren. Wir entschieden uns für zwei umschaltbare PI-Regler, die in einem DSP implementiert wur-den. Der erste PI-Regler beschleunigt die Schlitten auf Sollgeschwindigkeit, während der zweite Regler für die Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit verantwortlich ist. Die Realisierung wurde durch mechanische Schwingungen erschwert. Durch Verbesserungen am mechanischen Aubau des Systems sowie durch ein Notch-Filter am Reglerausgang konnten die Schwingungen leicht gedämpft werden. Das vorgegebene Toleranzband konnte aufgrund der verbleibenden mechanischen Störungen nicht ganz eingehalten werden. Wir erreichten eine Toleranz von 2% und eine Beschleunigungsphase von 100 ms.

Aufgabe war es, die in den vorangegangenen Projektarbeiten PAILk0005/06 und PAILk0015/16 entworfenen Regelkreise zu beurteilen und zu optimieren. Zusätzlich musste das Störverhalten getrennt vom Führungsverhalten betrachtet, mit einem überlagerten I-Regelkreis und mit einem Störgrössenbeobachter verbessert werden. Eine im Institut für Automatik der ETH Zürich entwickelte Software zum computerunterstützen Identifizieren, Entwerfen und Realisieren von Regelsystemen sollte im RT-Labor implementiert und mit dem Dreimassenschwinger getestet werden. In einem weiteren Schritt galt es neue Regelungskonzepte wie den Riccatti-Entwurf und den robusten Reglerentwurf zu untersuchen und nach Möglichkeit zu implementieren.

Das Modell der Regelstrecke aus den Projektarbeiten wurde ergänzt, was bei der Identifikation der einzelnen Scheiben bessere Resultate lieferte. Die Simulation und das reale Modell stimmten dadurch besser überein, wodurch das Führungsverhalten verbessert werden konnte.

Das Störverhalten konnte durch das Überlagern eines I-Regelkreises deutlich verbessert werden. Ohne I-Regelkreis waren die Regler nicht in der Lage, den Einfluss einer Störung zu kompensieren. Mit dem überlagerten I-Regelkreis konnte die Störung nach kurzer Zeit ausgeregelt werden. Der Störbeobachter konnte nicht realisiert werden, da er am gewählten Angriffspunkt der Störung nicht steuerbar ist.

Mittels des Riccati Entwurfs wurde eine Zustandsrückführmatrix k für den Zustandsregler berechnet. Der Riccati Entwurf kann für viele Regelprobleme angewendet werden und liefert eine gute Grundeinstellung, die man optimieren kann. Wir erhielten auf Anhieb einen guten Zustandsregler, den wir optimierten. Im Vergleich zu den anderen Reglern wies dieser Entwurf jedoch ein etwas schlechteres Führungsverhalten auf.

Die ETH-Software konnte aus Kompatibilitäts- und aus Zeitgründen nicht übenommen werden.

Der Top Loader ist ein zweiachsiger, in der Verpackungsindustrie eingesetzter Roboter. Die Regelung der Winkelpositionen beider Achsen wurde beim mir für Messungen zu Verfügung stehenden Objekt mit einem Computersystem der Firma Adept realisiert. Die unterlagerten Drehzahl- und Stromregelkreise sowie die Endstufen sind in den IRT - Antriebsreglern integriert.

Als erster Schritt wurden die Parameter der Drehzahlregler mit Hilfe des Integralkriteriums überprüft. Zweitens wurde der im Adept - Kontroller implementierte Regelalgorithmus auf das xPC Target System übertragen. Dies ist einerseits die Grundlage für die Implementation anderer Regler, anderseits werden dadurch Messungen möglich, die die Vorgabe einer speziellen Sollwert-Funktion erfordern.

Hauptziel dieser Diplomarbeit war es jedoch, ein Matlab - Programm zu erstellen, das eine möglichst optimale Bahnkurve berechnet. Optimal bedeutet in diesem Zusammenhang, die Bewegungen so schnell auszuführen, wie es möglich ist, ohne den Top Loader zu überlasten oder die mittels Saugnäpfen festgehaltene Ladung unterwegs zu verlieren. Ich führte daher an beiden Achsen Messungen zum Ermitteln der maximalen Winkelgeschwindigkeiten und -Beschleunigungen durch. Mit dem erstellten Programm ist es möglich, eine Bahnkurve zu berechnen, die 43 mal pro Minute ausgeführt werden kann, ohne die ermittelten bzw. vorgegebenen Grenzen zu verletzen.

Als Letztes stand die Verbesserung des Regelkonzeptes auf dem Programm. Der bestehende Algorithmus entspricht grundsätzlich einem PIDT1 Regler und stellt für die Regelung von nichtlinearen Systemen wie Roboterarmen nicht die optimale Lösung dar. Es zeigte sich jedoch, dass es jenseits der konventionellen Regelungen noch eine enorme Vielfalt weiterer Konzepte gibt. Daher beschloss ich, einige Varianten zu betrachten, deren Eigenschaften und Möglichkeiten zu beschreiben und dafür auf eine konkrete Realisierung zu verzichten.

Die Firma Sulzer Hexis verfolgt zurzeit eine umfangreiche Entwicklungsarbeit im Bereich der Brennstoffzellen. Diese soll einerseits für die Beheizung von Einfamilienhäusern und anderseits zur Bewirtschaftung des Warmwasserboilers eingesetzt werden. Unsere Diplomarbeit behandelt nun ausgewählte Teilprobleme im Zusammenhang mit der Aufheizung des Boilers. Da das Gesamtsystem dieser Beheizung physikalisch noch nicht vollends entwickelt worden ist, beschränkt sich unsere Arbeit auf die Simulation mit einem Boilermodell. Eine weitere Aufgabe besteht darin, mit nur einem Temperatursensor im Boiler auf den aktuellen Warmwasserverbrauch zu schliessen, damit sowohl die Regelstrategie als auch der Brennstoffzellenmanager mit einer Verbrauchsprädiktion arbeiten können. Das Problem wird entweder mit einem Neuronalen Netz oder einem System mit Beobachter gelöst. Unmöglich ist jedoch die Überprüfung der Verbrauchsabschätzung, da keine weitere Kontrollgrösse vorhanden ist. Dazu kommt noch die Problematik einer Prädiktion auf plötzlich eintretende und extrem schwankende Verbräuche, die zeitlich verschoben nicht mehr miteinander korreliert sind. Deshalb sind wir von einer Regelstrategie mit Verbrauchsprädiktion abgekommen. Für den Brennstoffzellenmanager ist eine Profilbildung der Betriebszeit der Pumpe im Heizkreis sinnvoller als eine ungenaue Verbrauchsprädiktion. Viel bessere Resultate ergibt die Strategie mit dem Einbezug der Temperatur im Vor- und Rücklauf der Heizspirale. Mit dieser Information und der Temperatur an einem bestimmten Punkt des Boilers kann auf den Energieinhalt des Boilers geschlossen werden, was viel aussagekräftiger ist als der Verbrauch, welcher aus der Boilertemperatur hergeleitet wird. Den Regler selbst bildet ein einfacher Fuzzy Regler, welcher ohne Prädiktion arbeitet. Diese neue Strategie ist jedoch auf eine exakte Position des Temperatursensors angewiesen.

Ziel der Diplomarbeit 'Das Labyrinth' war es, eine Kugel auf einer in beiden Achsen neigbaren Plattform in ihrer Position zu regeln. Neben der Realisierung der Hardware gehörte es zu den Hauptaufgaben, eine geeignete Reglerstruktur zu finden, eine Simulation zu entwickeln, sowie eine Benutzeroberfläche zu erstellen.

Der Reglerentwurf stellte dabei die grösste Herausforderung dar. Das vorliegende System weist einige Nichtlinearitäten infolge von Reibung auf. Gerade solche Reibungen in mechanischen Systemen stellen hohe Anforderungen an den Regler, während lineare, instabile Systeme leichter zu beherrschen sind. Dies erstaunt zunächst, weil die Stärken des Menschen bei der Regelung genau umgekehrt liegen. Es wurde eine klassische Regelung mit vier Stufen realisiert. Es mussten je zwei Regler für den Plattenneigungswinkel wie auch für die Kugelposition entworfen werden, um das System zu stabilisieren.

Mit der Realisierung der Sollwertvorgabe in einem Computer wurde die Möglichkeit geschaffen, weitere Steigerungen der Performance durch rein softwaremässige Anpassungen der Sollwerte zu erreichen. Messungen zeigen, dass die Art der Übergabe der Sollwerte an den Regler von entscheidender Wichtigkeit ist. Mit Matlab war es zudem möglich, eine geeignete Benutzeroberfläche für die Steuerung und Simulation des Systems zu entwerfen.

Weitere Untersuchungen wurden mit dem xPC-Tool durchgeführt, das einen schnellen Reglerentwurf mit dem Computer (Fast Prototyping) möglich macht und so zum rationellen Vorgehen beitrug.

Die vorliegende Arbeit ermöglicht den Betrieb der verschiedenen Baugruppen als ganzes System und erfüllt mit wenigen Ausnahmen die Forderungen des Pflichtenhefts. Ausserdem kann sie als Grundlage für weitere Arbeiten im Rahmen verschiedenster Fachgebiete dienen.

In dieser Diplomarbeit wurde ein Problem aus der Schifffahrt behandelt. Dabei ging es darum, mit Hilfe der Regelungstechnik einen Regler zu finden, der als eine Art "elektronischer Anker" arbeitet und ein Schiff im Wasser bei plötzlich auftretender Strömung an Ort und Stelle festhält.

Die Idee zu dieser Aufgabe entstand aufgrund einer realen Problemstellung, bei der ein Schiff auf einem Fluss vor einer Schleuse warten muss, ohne dass es dabei durch die angreifenden Strömungen seine Position verlässt.

Die zuvor in einer Projektarbeit erstellte Machbarkeitsstudie zu diesem Thema diente als Grundlage für die Realisierung diese Vorhabens. Der Regler sollte dabei seine Aufgabe nur mit Hilfe der Positionsdaten (z.B.: Positionsdaten eines GPS-Empfängers) erfüllen. Für die Versuche wurden ein in Matlab-Simulink erstelltes Simulationsmodell und ein kleines Modellbauschiff auf einem Bassin mit Strömungseinrichtung verwendet.

Die Untersuchungen und Versuche haben gezeigt, dass es sehr schwer ist, einen Regler zu finden, der bei allen Strömungssituationen von starker Strömung bis hin zu stehendem Wasser befriedigende Resultate liefert. Auch wenn in der Computersimulation ein solcher Regler gefunden werden konnte, zeigten sich am realen Modellschiff etliche Probleme bei der Realisierung. Die Folge daraus war ein Regler, der wenigstens für eine bestimmte Situation der Strömung befriedigende Resultate liefert.

Das Labormodell "Magnetische Aufhängung" der Firma Amira besteht im Wesentlichen aus einem Elektromagneten und einem darunter schwebenden pfeilförmigen Objekt. Die Regelstrecke ist instabil und nichtlinear. Bei früheren Arbeiten waren Diskrepanzen zwischen der vorliegenden Hardware und den Angaben des Herstellers aufgetreten. Aus diesem Grund wurde eine sorgfältige Identifikation der verschiedenen Komponenten (Regelstrecke, Stellglied, Messglied und eingebautem PID-Regler) durchgeführt. Die Kraftwirkung des Elektromagneten auf den Pfeil wurde in Funktion von Spulenstrom und Abstand gemessen und durch eine Funktion approximiert. Aus diesen Messungen konnte durch Linearisierung eine Differentialgleichung der Regelstrecke hergeleitet werden. Dank einem in einer früheren Arbeit empirisch gefundenen Regler konnte die Übertragungsfunktion der Regelstrecke direkt gemessen und mit dieser Herleitung verglichen werden. Es zeigte sich, dass eine Identifikation der Regelstrecke auch ohne Regler mit genügender Genauigkeit möglich ist.

Die erwähnten Diskrepanzen konnten durch die Anpassung der Umrechnungsformeln im DT-Anteil des PID-Reglers behoben werden. Zusätzliche Stabilitätsbetrachtungen mit Hilfe von Maple haben die Simulationen bestätigt. Ein extern aufgebauter Regler und ein digitaler Regler bestätigten die Änderungen in der Realität. Die übrigen Komponenten entsprachen in der Realität ohne Anpassungen den theoretischen Erwartungen.

Der gemessene Frequenzgang des geschlossenen Regelkreises stimmt mit der Simulation bis auf eine in der Realität sehr stark ausgeprägte Resonanz überein.

Es konnte im Rahmen dieser Arbeit eine solide Grundlage für weitere Arbeiten und Praktika gelegt werden.