Reglerentwurf und -validierung zur geschwindigkeitsgesteuerten Kraftregelung eines mechanischen Prüfstands zur Aufbringung von Scherbelastungen

Ziel dieser Masterarbeit war es, Regler für einen Prüfstand auszulegen und sie in einen Programmcode zu implementieren. Dazu wurde zuerst ein System modelliert, welches das reale System zur Kraftregelung ausreichend beschreiben kann. Zur möglichst genauen Beschreibung mussten die Übertragungsfunktionen der einzelnen zugehörigen Bauteile ermittelt und definiert werden. Dabei wurden einige Tests durchgeführt und auch die zuvor definierten, potentiell auftretenden Störgrößen wie Delay, Kraftsprung und Rauschen, die auf das System wirken können, ermittelt. Mit Hilfe der ermittelten Daten und der bereits vorher definierten Randbedingungen und Systemanforderungen konnten Regler für veschiedene Kraft- und Steifigkeitsbereiche in Simulink entworfen werden, welche die gestellten Regelaufgaben erfüllen können. Dabei wurde sich auf den PI-Regler und den Dreipunktregler beschränkt. Nach Analyse des Reglerverhaltens auf Störeinflüsse und deren Grenzen erfolgte die Implementierung der Regelung in Python und die Erstellung der Messmodi. Dazu wurde vorher die Verbindung der einzelnen verwendeten Bauteile mit dem Programm getestet und sichergestellt, dass die verwendete Bibliothek
zur Regelung der Geschwindigkeiten mit den simulierten Daten übereinstimmt. Nachdem die Übertragung der Regler abgeschlossen war, wurde eine Methodik zur Validierungsmessung entwickelt, in der potentielle Einflussfaktoren auf das Messergebnis untersucht wurden. Unter Berücksichtigung der Bedingungen konnte schließlich die Validierung durchgeführt werden. Ein Vergleich zwischen dem PI- und dem Dreipunktregler zeigte, dass der PI-Regler vor allem in
den größeren k-Wertbereichen und bei steigender Kraft besser geeignet ist als der Dreipunktregler. Jedoch wies dieser auch Schwächen, vor allem bei der Ausgleichgeschwindigkeit zur Rückregelung der Kräfte auf. Eine Begründung für das Verhalten liegt in der Robustheit des ausgewählten Reglers. Weiterführend wurde auch eine Gegenüberstellung der experimentell bestimmten Messdaten mit den simulierten Daten unter unterschiedlichen Delay-Zeiten durchgeführt. Dabei konnte festgestellt werden, dass trotz eines bestehenden Delays an den Motoren der Verlauf der mittleren Kraftkurve dem Verlauf der Simulationsdaten ohne Delay am ähnlichsten ist und kann als annähernd gleich angesehen werden. Dadurch wurde eine Möglichkeit gefunden, die mechanischen Verhaltensweisen in dem System simulativ abzubilden und vorherzusagen. Es ergeben sich noch weitere Forschungsfragen. Beispielsweise wurde bisher der Kraftverlauf der Biegung als linear angenommen und die Massensteifigkeit konnte aufgrund dessen als konstanter Wert übernommen werden. Der Unterschied der Simulation und der realen Messwerte kann, wie bereits im Abschnitt 5.5.4 erwähnt, unter anderem von jener Betrachtung abhängen.
Daher können weitere Messreihen mit höheren Kräften und Steifigkeiten weitere Abweichungen der beiden Darstellungen zum Vorschein bringen. Deswegen soll für weitere Messungen auch der Verlauf der Biegung genauer betrachtet werden und das System entsprechend der Erkenntnisse angepasst werden. Das soll jedoch nur unter der Voraussetzung geschehen, dass weitere Regler eine größere Abweichung von der Simulation aufweisen. Zur Bestimmung der
Abweichung erfordet es weiterer Experimente mit größeren Steifigkeiten und größeren aufbringbaren Kräften, die zum aktuellen Zeitpunkt von den Motoren des XY-Tischs auf 50 N begrenzt sind. Ebenfalls würde eine Erhöhung der Filterung des Kraftsignals zu einer Verbesserung der Reglung führen. Dadurch würde es zur Verringerung von schnellen Richtungswechseln und damit auch zur Minimierung des Rauschens am Kraftausgang kommen. Durch diese Masterarbeit konnte mit Hilfe von Experimenten und Simulation eine Methode entworfen werden, welche eine Reglerauslegung für geschwindigkeitsgesteuerte Kraftregelungen ermöglicht. Durch die gute Prognose des experimentellen Verhaltens durch die Simulation kann eine zukünftige Auslegung der Regelung auch für weitere Raumrichtungen erarbeitet werden.