Beispiele mechatronischer Systeme

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9 Beispiele mechatronischer Systeme
Stromregler
( )
K S 1+ 1 1
T N,S s
elek.
Strecke
1
Ls+R
mech.
Strecke
1
J s 2 +d s
Drehzahlfilter
s
T F s+1
Istposition
Drehzahlregler
( )
K G 1+ 1 1
T N,G s
Vorsteuerung
J
k M
Differenzierer
s
T 1 s+1
Positionsregler
K P
Differenzierer
s
T 1 s+1
Sollposition
Bild 9.1 Schematische Darstellung einer klassischen Regelungsstruktur in der Automatisierungstechnik
(gezeigt ist jeweils der reale Differenzierer mit einer kleinen Zeitkonstanten T 1 , vgl. Abschnitt 8.2.1)
intern entsprechende Identifikationsverfahren für das elektrische System zur Verfügung. Die
Reglerparameter der Drehzahlregelung werden in Abhängigkeit von internen Totzeiten sowie
aus der auf die Motorwelle bezogene Gesamtmassenträgheit berechnet. In der Praxis ist bei
vielen Applikationen die Massenträgheit des mechanischen Systems nur ungenau bekannt. In
der Folge wird der Drehzahlregler durch den parametrierenden Applikationsingenieur manuell
adaptiert. Der Inbetriebnahmeprozess hängt damit stark von der Komplexität der Anlage ab
und kann mehrere Stunden oder bei komplexen mechatronischen Systemen auch Tage dauern.
Eine weitere Herausforderung besteht, wenn sich regelungstechnisch relevante Reglerparameter
der Strecke (z. B. durch Zuladung von Gütern) im Betrieb ändern. In diesem Fall ist
der Regelkreis konservativ auszulegen, so dass für alle Betriebspunkte das vorrangige Ziel des
stabilen Systemverhaltens gewährleistet ist. Im Umkehrschluss bedeutet dieses, dass in vielen
Betriebspunkten der Anlage die mögliche Leistungsfähigkeit des Reglers (z. B. Einschwingverhalten)
nicht erreicht werden kann. Die in Folge der Änderung der Systemparameter nicht optimal
eingestellten Reglerparameter führen zu einem ungünstigeren Führungsverhalten und
zu verlängerten Zykluszeiten.
Demgegenüber stehen die Forderungen von Anlagenbetreibern mit ständig steigenden Ansprüchen
an Taktzeiten und Maschinenproduktivität. Kostendruck in Kombination mit Leichtbau
führt zu stark belasteten bzw. weniger steifen mechanischen Strukturen. Um der daraus resultierenden
Neigung zu Strukturschwingungen entgegenzuwirken, kommen häufig modellbasierte
Regelungsansätze zur Anwendung. Die nötigen Modellparameter und evtl. auftretende
Parameteränderungen werden im Betrieb identifiziert und anschließend zur modellbasierten
Schwingungsdämpfung verwendet. Dadurch bleibt die Systemdynamik erhalten.
9.1.1 Verfahren und Randbedingungen in der Praxis
Für die Identifikation der Systemparameter existieren, wie in z.B. [Kra04], [WB99], [WSGB97],
[Vil09] aber auch in Abschnitt 7.3 und Abschnitt 7.4 ausgeführt, diverse Ansätze. Eine verbreitete
Methode nutzt die Abbildung des mechanischen Systems im Frequenzbereich. Dem Strom-