TU Braunschweig

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Arenz, A.:
Simulation und Regelung starr-elastischer Mehrkörpersysteme mit integrierten Werkzeugen.
Dissertation, Technische Universität Braunschweig, Institut für Regelungs- und Automatisierungstechnik, Papierflieger, Clausthal-Zellerfeld, 2000.

Kurzfassung:

Schlagworte wie "Virtual Prototyping" oder "Mechatronik" sind heutzutage in aller Munde. Hintergrund bildet die generelle Tendenz der steigenden Systemkomplexität, sowohl bedingt ist durch die Größe der Komponenten als auch durch ihre Interaktionen untereinander. Notwendig ist eine zunehmende Integration der einzelnen Phasen des Produktentwicklungsprozesses.

In der vorliegenden Dissertation wird der Aspekt der computergestützten Simulation herausgegriffen und in seiner Ausprägung auf die Bereiche der Modellbildung und der Regelung näher beleuchtet. Die "spezifische" Produktbasis stellen geregelte, starr-elastische Mehrkörpersysteme dar. Stingent zieht sich durch die gesamte Arbeit der wissenschaftliche Ansatz auf der Basis des Prinzips Methode - Beschreibungsmittel - Werkzeug.

Zugleich als Motivation und als Fallstudie für die experimentelle Bewertung des gewählten Konzeptes dient ein Schwerlastroboter für den Containerumschlag zwischen Zügen und LKWs. Prozessbedingt ergeben sich somit die Themenschwerpunkte mechanischen Starrkörpersystem, elastische (FE-) Körper und Regelkreis. Für die rechnergestützte Implementierung der Simulationsmodelle werden die drei weltweit bekannte Werkzeuge ADAMS, ANSYS und MATLAB eingesetzt. Der holonome Entwurf wird durch die aufgabenspezifischen Interface-Strukturen zwischen den Softwarepaketen vervollständigt. An Hand von rechnergestützten Implementierungen und umfassenden Simulationsstudien wird die Güte des methodisch-orientierten Gesamtansatzes geprüft.

Für den Aufbau des mechanischen GEsamtsystems eignet sich das Programm ADAMS; durch die Einbindung elastischer Körper aus ANSYS können hybride Modelle erzeugt werden. In MATLAB kann diese (hybride) Strecke sowohl in Form von linearischen Zustandsraummatrizen dargestellt werden als auch in Form eines Blockschaltbildes in der Co-Simulation mit ADAMS eingesetzt werden.

Bei der Betrachtung der unterschiedlichen Regelungsverfahren wie PID-, Zustands-, adaptive, normoptimale/robuste oder Fuzzy-Regelung fallen besonders deren verschiedenartigen Zielrichtungen auf. Jede Form hat ihre unterschiedlichen Einstellparameter und ihre eigenen Gütefunktionale, die zu strukturbedingten Vor- und Nachteilen führen und somit das Einsatzgebiet charakterisieren. Für das vorliegende linearisierte, starre Einachsen-Streckenmodell haen sich sowohl ein analytisch berechneter PID- als auch ein Fuzzy -Regler sehr gut bewährt. Bedingt durch die großen Nichtlinearitäten, Kopplungen und Parameteränderungen der Strecke ergibt sich für den Schwerlastroboter die Notwendigkeit einer entkoppelten Rückführung. Die elastische STrecke stellt hingegen eigene Anforderungen an einen Regler, so dass eine Übertragbarkeit der Verfahren des starren Systems meist nicht möglich ist. Interessanterweise zeigt der Fuzzy-Regler auch hier zufriedenstellende Ergebnisse. Die bereitgestellte Interfacestruktur der Co-Simulation ermöglicht abschließende Tests der Regler am komplexen Gesamtsystem.

Insgesamt kann festgehalten werden, dass der gewählte Ansatz sowohl andwendbar ist als auch einen sinnvollen Beitrag zur Integration des Entwicklungsprozesses wiedergibt. Die vorliegende Arbeit stellt somit einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einem ganzheitlichen Produktlebenszyklus dar.


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