Modellbasierte Systementwicklung

Lernmodule

Hier sehen Sie eine Übersicht über die mechatronischen Lernmodule, die von interessierten Studenten jederzeit nach Anmeldung absolviert werden können.

Die Anmeldung und Terminabstimmung erfolgt in Rücksprache mit Rainer Abele.

Thumb lernmodul pnoz

Lernmodul PNOZ

In diesem Lernmodul werden verschiedene Möglichkeiten zur Absicherung einer Werkzeugmaschine / Fräsmaschine den Studenten nähergebracht. Über das Sicherheitsschaltgerät PNOZmulti m1p der Firma PILZ GmbH & Co. KG, werden alle Absicherungen zusammengefasst. Auf einfache Weise wird mit Hilfe des PNOZmulti Configurators am PC ein Programm konfiguriert und auf das Sicherheitsschaltgerät gespielt. Anschließend werden die Wirkungsweise des Lichtvorhanges, der Türabsicherung und die Funktion des Not-Aus getestet. Mit dem Oszilloskop können die Überwachungssignale der Not-Aus-Überwachung sichtbar gemacht werden.
Für dieses Modul werden keine Grundkenntnisse und Vorlesungen vorausgesetzt.

Lernziele:

  1. Grundverständnis zur Sicherheitsabschaltung von Maschinen
  2. Wirkungsweise von verschiedenen Sicherheitseinrichtungen
  3. Handhabung des Oszilloskop

Tätigkeiten:

  • Konfiguration der Schaltung am PC
  • Übertragung des Programmes auf das Sicherheitsschaltgerät
  • Inbetriebnahme der Anlage
  • Überprüfung der verschiedenen Sicherheitseinrichtungen
  • Messung und Einstellung des Oszilloskops
Thumb lernmodul moderne antriebs und steuerungstechnik maus

Lernmodul Moderne Antriebs- und Steuerungstechnik MAUS

Im Lernmodul „Moderne Antriebs-und Steuerungstechnik“ (MAUS) soll den Studenten interaktiv die ersten Schritte zum Thema Grundlagen der Steuerungstechnik, Frequenzumrichter, Bussysteme und SPS-Programmierung nähergebracht werden. Es werden grundlegende Programmierfunktionen, Hardwarekonfiguration der S7, Programmierung und Ansteuerung der FU´s  erklärt und in Übungen umgesetzt. Anschließend wird das Programm auf die Siemenssteuerung im Aufbau gespielt. Im Probelauf wird das Programm direkt getestet.
Für das Modul sind keine Grundkenntnisse oder Lehrveranstaltungen erforderlich.

Lernziele:

  1. Erste Schritte in der SPS Programmierung
  2. Hardwarekonfiguration einer S7
  3. Parametrierung von FU´s
  4. BUS-Systeme

Tätigkeiten:

  • Interaktive Aufgabenstellung am PC lösen
  • Hardwarekonfiguration der SPS
  • Parametrierung des Frequenzumrichters
  • Programmierung der SPS für die Laufrichtung des Bandes (zeitabhängig Vorwärts-, Rückwärtsrichtung, Bandgeschwindigkeit)
  • Überprüfung der Programme durch einen Testlauf
Thumb lernmodul digitaler regler

Lernmodul Digitaler Regler

In modernen Systemen kommen meist digitale Regler zum Einsatz. Um dieses Thema aufzugreifen und zu veranschaulichen, wurde in einer Bachelor-Thesis ein Lernmodul für Studierende aufgebaut. Dieser Aufbau stellt einen digitalen Drehzahlregler auf Basis einer Mikrocontrollerplattform dar. Die Regelstrecke besteht aus einem DC-Motor mit einer Getriebeeinheit. Der Regelkreis wird über einen Tachogenerator geschlossen, welcher eine zur Drehzahl proportionale Spannung an die Mikrocontrollerplattform zurückgibt. Das Verhalten von P-, PI- oder PID-T1-Regler kann in diesem Lernmodul untersucht und verglichen werden.

Auch wird das Lernmodul modellbasiert mit der Software Matlab dargestellt. Der Regelkreis wird in Matlab Simulink erstellt, somit sich das Verhalten zunächst simulieren lässt. Mit Hilfe des RealTime Workshop Embedded Coder (RTW-EC) lässt sich der Regel-Algorithmus anschließend in C-Code erstellen. Dieser kann wiederrum auf den Mikrocontroller geladen werden.

Empfohlene Lehrveranstaltungen:

  • Regelungstechnik
  • Embedded Control Systems

Grundkenntnisse:

  • Matlab/Simulink
  • KEIL µVision

Lernziele:

  1. Grundverständnis für RPD mit Matlab/Simulink und RTW-EC
  2. Grundlagen von Regelsystemen a), Messung der Sprungantwort b), Bestimmung des Bode-Diagramms
  3. Verständnis für unterschiedliches Verhalten von Reglern (P, PI, PID-T1)

Tätigkeiten:

  • Analyse der Regelstrecke
  • Entwurf und Dimensionierung verschiedener Regler-Typen
  • Codegenerierung aus Matlab/Simulink mit Realtime Workshop
  • Programmierung des Mikrocontroller AT89C51CC03
  • Vergleich von Simulation und Messung am realen Aufbau
Thumb lernmodul can bus

Lernmodul CAN-Bus

Der CAN–BUS ist heute und auch noch in naher Zukunft das am häufigsten eingesetzte Informationsübertragungssystem im Bereich Automobil und Nutzfahrzeuge. Um die Grundlagen des CAN–Netzwerksystems kennen zu lernen, steht motivierten StudentInnen dieses Lernmodul zur Verfügung.

Der Schwerpunkt des Lernmoduls liegt darüber hinaus in der Vertiefung der Kenntnisse der modellbasierten Softwareentwicklung mit Matlab/Stateflow und dem Codegenerator RealTime-Workshop.

Die entwickelte Hardware bietet Möglichkeiten, die Kommunikation zwischen zwei Steuergeräten genauer zu untersuchen. Im Zuge des Lernmoduls wird ein eigenes Modell zu Sende- und Empfangsknoten entwickelt, eigenständig auf den Mikrocontroller Atmel AT89C51CC03 geladen und die Funktion überprüft. Zur Vorbereitung auf die Veranstaltung wird ein umfassendes Handout zum Selbststudium bereitgestellt.

Empfohlene Lehrveranstaltungen:

  • Embedded Control Systems
  • Workshop zur modellbasierten Codeentwicklung

Vorausgesetzte Grundkenntnisse:

  • Matlab/Simulink
  • KEIL µVision

Lernziele:

  1. Grundkenntnisse über den CAN BUS
  2. Vertiefung der Kenntnisse in der modellbasierten Codeentwicklung: a) Zustandsgraphen nach David Harel, b) Erweiterung des Zustandsgraphen um Timer-Funktion
  3. Grundkenntnisse über Eingebettete Systeme

Tätigkeiten:

  • Messungen am BUS mit Oszilloskop und CAN-Analyser
  • Entwurf des Zustandsgraphen eines Lichtsteuergerätes mit Timer-Funktion (Blinker) in Stateflow
  • Simulation mit Matlab/Simulink
  • Codegenerierung aus dem Modell mit Realtime Workshop Embedded Coder
  • Erstellen eines Softwareprojektes mit Keil µVision
Thumb lernmodul lorenzaktuator

Lernmodul Lorenzaktuator

In diesem Lernmodul soll Studenten die Steuerung- und Regelungstechnik näher gebracht werden. Es soll die vertikale Positionierung einer Masse mit einem Mikrocontroller als Regler realisiert werden. Mit Hilfe einer Feder kann eine zweite Masse angekoppelt werden. Es entsteht ein Aufbau mit schwingungsfähigen gekoppelten Massen. Ziel des Lernmoduls ist die exakte Positionierung der zweiten, oberen Masse durch einen selbst programmierten Regler. Der eingesetzte Aktuator arbeitet nach dem Prinzip der Lorentzkraft. Es findet keine Umsetzung von rotatorischer in translatorische Bewegung statt. Diese Aktuatoren sind den Tauchspulen in Lautsprechern ähnlich. Durch ihren rein elektromagnetischen Aufbau sind sie nahezu frei von Verschleiß, hoch dynamisch und linear.
Das Lernmodul soll Studenten ermöglichen, "rapid control prototyping" kennenzulernen. Es handelt sich um eine moderne, modell-basierte Entwicklungsmethode, die in der Industrie eingesetzt wird. Dabei wird der mechanische Aufbau inklusive Regler in einem Modell mit Matlab abgebildet. Durch Simulation und Reglereinstellverfahren werden geeignete Regelparameter ermittelt. Diese können dann mit Hilfe des Echtzeitcomputersystems xPC-Target am realen Aufbau getestet werden. Zum Schluss wird die Simulation mit dem realen Aufbau verglichen.

Empfohlene Lehrveranstaltungen:

  • Regelungstechnik
  • Embedded Control Systems

Grundkenntnisse:

  • Matlab
  • KEIL µVision

Lernziele:

  1. Grundverständnis für RPD mit Matlab und xPC-Target
  2. Grundlagen von Regelsystemena) Messung der Sprungantwortb) Bestimmung des Bode-Diagrammsc) Bestimmung der Regelgüten
  3. Verständnis für unterschiedliches Verhalten von Reglern (P und PI)

Tätigkeiten:

  • Modellierung eines Systems mit Matlab Simulink
  • Entwurf eines Reglers im Frequenzbereich
  • Simulation mit Matlab Simulink
  • Codegenerierung mit Matlab Realtime Workshop
  • Programmierung des Echtzeitsystems Speedgoat
  • Vergleich von Simulation und realem Antrieb
Thumb lernmodul transferstrasse

Lernmodul Transferstraße

In diesem Lernmodul können die Studenten Ihre Fertigkeiten im Bereich Automatisierungstechnik an einer Siemens S7 Steuerung vertiefen. In einer Schritt- für Schrittanleitung wird die S7-Steuerung mit Ihren Komponenten wie DO-Baugruppe, ET200S und Stromversorgung für die Programmierung vorbereitet. Mit der Siemens-Software Step7 Professional kann dann eine erste kleine Ablaufsteuerung programmiert und getestet werden. Ein Werkstück soll hier auf einem Förderband hin und her transportiert werden. Mit einem Oszilloskop muss die genaue Bandgeschwindigkeit ermittelt werden. Im 2. Schritt soll aus dem Lernmodul das Modul Umsetzer realisiert werden. Hier soll ein Werkstück angesaugt, angehoben, umgesetzt und auf dem parallelen Förderband wieder abgesetzt werden. Im 3.Schritt kann dann selbstständig die „Transferstraße“ programmiert werden. Um Fehler im Programm ausschließen zu können, muss das Programm auf die Anlage überspielt und getestet werden. Auftretende Fehler können so erkannt und abgestellt werden.

Empfohlene Lehrveranstaltungen:

  • Automatisierungstechnik

Grundkenntnisse:

  • SPS-Programmierung       

Lernziele:

  1. Vertiefung der Kenntnisse in der SPS Programmierung
  2. Handhabung des Oszilloskops zur Messung von Signalen
  3. Verständnis für unterschiedliches Verhalten von Reglern (P und PI)

 Tätigkeiten:

  • Hardwarekonfiguration
  • Konfiguration des Profibus-DP
  • Programmierung der Ablaufsteuerung
  • Ermittlung der Bandgeschwindigkeit mit dem Oszilloskop
  • Fehlersuche
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Zahnriemenachse

In diesem Lernmodul geht es um die horizontale Positionsregelung einer elastisch gekoppelten Lastmasse, welche über eine Zahnriemenachse und einen Synchronservomotor positioniert wird (sog. Servoantrieb). Der Synchronservomotor treibt hierzu über ein Getriebe und eine Klauenkupplung die Zahnriemenscheibe und damit den Zahnriemen an. An diesem Zahnriemen ist nun die Lastmasse über zwei Federn elastisch angebracht. Zudem kann über eine Wirbelstrombremse eine variable zusätzliche Dämpfung ins System gebracht. 

Die Ansteuerung des Antriebs erfolgt über einen geeigneten Servoverstärker mit integrierter Regelbaugruppe. Die Steuerung und Regelung der Anlage erfolgt jedoch über die „Real-Time-Target-Machine“ von Speedgoat (sog. TARGET-PC) auf dieser das Echtzeitbetriebssystem „Simulink Real-Time“ von Mathworks ausgeführt wird. Über den HOST-PC mit Matlab-Simulink kann der Bediener die Simulation steuern, überwachen, sowie Mess- und Simulationsergebnisse aufzeichnen. Die Kommunikationsschnittstelle zwischen dem HOST-PC und dem TARGET-PC wird über die LANSchnittstelle durch eine Ethernet-Verbindung realisiert. 

Im ersten Teil dieses Lernmoduls geht es darum, das reale System und das dazugehörige Systemmodell kennen zu lernen. Dazu wird die Echtzeitumgebung „Simulink Real-Time“ und sowie die „Real-Time-Target-Machine“ vorgestellt um einen vollständigen Überblick über das RCP-Verfahren („Rapid Control Prototyping“) zu erhalten. Mit einem kurzen Einstiegsversuch zum Einlesen, Filtern und Ausgeben eines Signals werden der Umgang sowie die Arbeitsweise mit Simulink Real-Time und der Echtzeitumgebung veranschaulicht. 

Im Lernmodul sollen die Eigenschaften eines PID-Regelsystems unter Verwendung des Systemmodells simulativ und messtechnisch am realen Aufbau untersucht werden. Dazu werden beim PID-Regler die Einflüsse der einzelnen Parameter P, I und D sowie die Auswirkung des Filterkoeffizienten N untersucht. Bei der Arbeit am Systemmodell werden mit zwei verschiedenen Verfahren (Frequenzkennlinien-Verfahren und Simulink-Regler-Tuning-Tool) für die Inbetriebnahme der RCPPlattform geeignete Regelparameter ermittelt. Abschliessend werden die Regelergebnisse von PID-Regler und Kaskadenregler miteinander verglichen.

Durch den direkten Vergleich der Ergebnisse können auftretende Abweichungen von Simulation und Messung mit Hilfe der Matlab-Tools „Simulation Data Inspector“ dargestellt werden.

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DC-Motor

In diesem Lernmodul geht es um die Steuerung und Regelung eines 1-Achsantriebsstranges mit DC-Getriebemotor, Schaltkupplung und Schwungmasse. Die Steuerung und Regelung des Aufbaues erfolgt über Matlab-Simulink R2017b unter Einsatz von „Simulink Desktop Real-Time“ auf dem HOST-PC. Über ein Arduino ATmega Mikrocontrollerboard werden die Signale über die USB-Schnittstelle an den HOST-PC und umgekehrt transportiert.

Im Lernmodul steht das Verständnis von „Steuerung“ und „Regelung“ eines Antriebssystems mit DC-Motoren, sowie die wichtigsten Eigenschaften eines einschleifigen Regelkreises im Vordergrund (u.a. Wind-up Effekt bei Stellgrössenbeschränkung, Stabilitätsanalyse, Reglersyntheseverfahren, Einfluß der Motorlast). Mit dem vorhandenen MiL-Systemmodell kann die Reglersynthese modellbasiert erfolgen und die Tools von Matlab-Simulink vorteilhaft eingesetzt werden. Für die fortgeschrittene Regelungstechnik lassen sich zudem Kaskadenregelungen der Drehzahl und der Winkellage realisieren.