Steuerung & Regelung

Kugelwaage

Die "Kugelwaage" ist ein Versuchsaufbau aus der Regelungstechnik.
Für Schulungszwecke wird an einem Computer ein Regelkreis aufgebaut, der die Position einer Kugel regeln soll. Die Kugel liegt hierzu in einem drehbar gelagertem V-Profil, an das rechtwinklig dazu ein Propeller montiert ist. Durch Ansteuerung des Propellers lässt sich die Neigung des V-Profils beeinflussen, wodurch die Kugel nach links oder rechts rollt.
Aufgabe ist es, den Regelkreis so auszulegen, dass die Kugel in der Mitte liegen bleibt.

Video

Elektronik

Ein in C++ programmierter Mikrokontroller erfasst die Sensordaten und steuert den Propeller an. Die Kommunikation mit einem Computer, auf dem die Regelung softwareseitig ausgeführt wird, erfolgt über die serielle Schnittstelle.

Software

Zum Entwerfen eines Reglers mit dem PC steht ein speziell für diesen Aubau entwickelter Funktionsblock-Editor zur Verfügung. Dieser enthält alle gängigen Regelglieder (z. B. PIDT1) und kann mit selbstdefinierbaren Funktionsblöcken erweitert werden. Das Besondere an diesem Editor ist, dass der komplette Signalverlauf während der Laufzeit editiert werden kann. Änderungen werden sofort aktiv und müssen nicht wie bei LabView erst kompilliert werden.

Antriebstechnik

Der eingesetzte Verstellpropeller wird von einem Synchronmotor angetrieben, dessen Drehfeld ein Brushressregler erzeugt. Ein Servo kann den Anstellwinkel der Rotorblätter stufenlos verändern und so Schub in beide Richtungen erzeugen.

Sensorik

Die Position der Kugel wird durch zwei Kohlefaserstäbe ermittelt, die als Spannungsteiler eingesetzt werden. Den Neigungswinkel der Waage ermittelt ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor über den Vektor der Schwerkraft.

Manuelle Steuerung

Um zu demonstrieren, dass es nahezu unmöglich ist die Kugel händisch auszuregeln, lässt sich der Propeller wahlweise über einen Joystick manuell steuern.

Fertigung

Alle mechanischen Komponenten wurden mit der CNC-Fräse gefertigt.

Softwareentwicklung

Für die Programmierung des Funktionsblockeditors in VB.NET wurde Visual Studio,
für die des Mikrocontrollers in C++ das ATMEL AVR-Studio eingesetzt.

Fertigungszeichnungen

Die Zeichnungen wurden mit Auto-CAD erstellt und für die CNC-Fräse mit Estlcam in G-Code umgewandelt.

Schaltplan

Für den Schaltplan wurde ausnahmsweise PowerPoint verwendet. 😉

Regelkreis

Mit insgesamt 4 Regelkaskaden ist es gelungen, die 5 Zustandsgrößen der Regelstrecke zu stabilisieren. Hierbei wurde die Trägheitsdynamik des Propellerantriebs durch eine Modellsimulation nachgebildet und als Vorsteuerung im Regelkreis eingesetzt.

Motorkennlinie

Zur Aufnahme der Motorkennlinie wurde die Schubkraft mit einer Küchenwaage gemessen und die Drehzahl über das Motorgeräusch mit einem Notebook-Mikrofon ermittelt.

ISSM (Isolations Schlauch Schneide Maschine)

Erste selbst entwickelte Maschine: Die ISSM schneidet Glasfaserschlauch und Kabel auf eine einstellbare Länge ab. Der maximale Vorschub liegt bei 10 cm pro Sekunde. Gesteuert wird die Maschine von einem in C++ programmierten Mikrocontroller (ATMEGA 8515). Das Projekt wurde im Rahmen der Elektroniker-Ausbildung 2006 als Verbesserungsvorschlag eingereicht.