621.3 Elektrotechnik, Elektronik
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Am 1. Juli 2022 trafen sich im Rahmen des Abschlusskolloquiums des Projekts ACA-Modes rund 60 Teilnehmende aus Forschung, Lehre und Industrie zu einer internationalen Konferenz an der Hochschule Offenburg. Hier wurden die Projektergebnisse rund um die erfolgreiche Implementierung modellprädiktiver Regelstrategien vorgestellt, aktuelle Fragestellungen diskutiert und Entwicklungspfade hin zu einem netzdienlichen Betrieb von Energieverbundsystemen skizziert.
In dieser Arbeit soll ein digitaler Zwilling für ein Transportband und Anlagenteil der im Labor für Automatisierungssysteme eingesetzten Fischertechnik-Fabrik mit der Industrie 4.0 Software von Siemens NX Mechatronics Component Designer entwickelt und die Anlage virtuell und daraufhin in der Realität in Betrieb genommen werden.
In dieser Abschlussarbeit wurde die bisherige Spielstrategie des RoboCup3D-Clients an die durch den FatProxy möglich gewordenen perfekten Kicks angepasst. Dazu wurde die aktive Entscheidungslogik am Ball komplett überarbeitet und eine neue Positionierungsstrategie anhand der bisher verwendeten Architektur entwickelt.
Die neue aktive Entscheidungslogik verwendet dabei eine neue, von den Mitspielerpositionen abhängige, Positionsberechnung und mehrere neue Bewertungsmethoden, die diese Positionen bewerten. Zusätzlich gibt es nun auch eine Funktionalität, die den neu benötigten vertikalen Schusswinkel für jede Position bestimmt. Für die neue Positionierung wurde eine Rautenformation gewählt, bei der die verschiedenen Rollen jetzt eigene Spielfeldbereiche zugewiesen bekommen, die sich teilweise überlappen. Diese Bereiche sind nötig geworden, da die Rollen sich jetzt weniger am Ball und mehr direkt am Spielfeld orientieren.
Bei der zum Schluss durchgeführten Evaluation der Spielergebnisse zwischen neuen und alten Strategiekonfigurationen hat sich ergeben, dass die komplett neue Strategiezusammenstellung mit durchschnittlich zwei Toren Vorsprung gegen die alte Strategie gewinnt und damit besser mit den neuen Möglichkeiten interagiert. Mischt man neue und alte Strategiekomponenten hat das jedoch den gegenteiligen Effekt, da die Mischvarianten gegen die alte Strategie verlieren. Die neuen Komponenten benötigen also das gegenseitige Zusammenspiel, um effizient zu funktionieren.
Diese Arbeit umfasst erste Tests und die Inbetriebnahme eines neuen Prüfplatzes bei der QMK-GmbH. Der Prüfplatz selbst soll in der Lage sein, Leistungsshuntwiderstände kalibrieren zu können. Leistungsshuntwiderstände sind meist eher groß und schwer, damit durch viel Material die Wärmeentwicklung kompensiert werden kann. Zudem sind die Kontaktflächen dementsprechend groß, damit der Übergangswiderstand an den Kontaktflächen möglichst gering ist. Der Widerstandswert selbst ist sehr klein. Standardmäßig liegen Widerstände hier im Bereich von 10 bis 100 Ω. Um so kleine Widerstände möglichst genau messen zu können, muss technisch viel Aufwand betrieben werden. In der Regel wird dies mit einer Vierleitermessung realisiert. Leistungsshuntwiderstände werden aber generell mit einem eher hohen Strom im Bereich von 100 bis 10 000 . Mit dem neuen Prüfplatz soll dies auch umgesetzt werden. Die Widerstände sollen mithilfe von hohen Strömen bis 2 kA kalibriert werden, damit der, für den Prüfling, zutreffende Arbeitsbereich unter Berücksichtigung seiner Eigenerwärmung abgebildet werden kann. Für diese Anwendung wurde ein Prüfplatz entwickelt, der 2 kA zur Verfügung stellen kann und mithilfe eines genauen und kalibrierten Referenzwiderstandes den Widerstand des Kalibriergegenstandes ermitteln kann. Würde man den Aufbau messtechnisch beschreiben, so wird durch eine Konstantstromquelle ein Gleichstrom erzeugt, der beide in Reihe geschalteten Widerstände durchströmt. Damit ist der Strom an beiden Widerständen identisch und kann ermittelt werden. An den Widerständen wird gleichzeitig dessen Spannungsabfall gemessen. Mit dem ermittelten Strom kann anschließend über das Ohmsche Gesetz der „unbekannte“ Widerstandswert des Kalibriergegenstandes ermittelt werden. Dieser wird mit dem Sollwert seines Datenblattes verglichen und in einem Protokoll unter Berücksichtigung der eigenen Messunsicherheit bewertet. Die Messergebnisse werden nach der Messung bzw. Kalibrierung in einem Zertifikat zusammen gefasst, und dem Kunden ausgestellt.
Ziel der Arbeit ist es, eine Kalibriereinrichtung zu entwickeln und zu bewerten, die den Richtlinien und Grundlangen der DAkkS entspricht oder zumindest als Grundlage für eine Akkreditierung bei der DAkkS dient. In erster Linie, soll es mit der Kalibriereinrichtung möglich sein, ISO-Kalibrierungen nach der 9001 Norm durchzuführen und zu bewerten.
Die vorliegende Bachelor-Thesis ist bei der Firma AUMA in Müllheim in der Abteilung Testingentstanden.
Diese Arbeit ist in zwei Teile unterteilt. Im ersten Teil wird näher auf den Entwurf eines Motorenprüfstands und dessen Realisierung eingegangenen, während sich der zweite Teil damit befasst, wie dieser für die Ausbildung – und die Einarbeitung in Mess- und Steuerungstechnik – von Auszubildenden genutzt werden soll. In diesem Versuchsaufbau wird vorrangig ein Gleichstrommotor getestet.
Die Begründung für die Erstellung eines Motoren-Bremsprüfstands liegt darin, dass es eine der Hauptaufgaben der Abteilung Testing ist, in Labor-Prüfeinrichtungen Antriebe der AUMA Gruppe zu testen. Diese Prüfeinrichtungen arbeiten in der Regel mit gefährlichen Spannungen und dürfen nur von Fachkräften in Betrieb genommen werden. In Zukunft sollen Auszubildende im Zuge einer praxisnahen und handlungsorientierten Ausbildung die Möglichkeit haben, sich selbstständig in die Bereiche der Mess- und Steuerungstechnik einzuarbeiten.
Mit dem realisierten Motoren-Bremsprüfstand ist es in der Abteilung Testing möglich, in Zukunft Auszubildende ressourcenschonend und in einem gefahrenfreien Umfeld in die Aufgaben der Abteilung Testing einzuarbeiten. Somit reduziert sich die benötigte Einarbeitungszeit, in der ein Mitarbeiter die Auszubildenden betreuen muss. Mit dem gebauten Prüfstand können Auszubildende die Charakteristik eines Gleichstrommotors verstehen und die Messmethoden, zur Erfassung von Drehmoment, Drehwinkel, Temperatur, sowie elektrische Größen, anwenden. Diese Erkenntnisse lassen sich optimal auf größere Prüfstände übertragen und bereiten die Auszubildenden auf spätere Aufgaben im Unternehmen AUMA und der Abteilung Testing vor.
Im Beitrag wird für lineare, zeitinvariante, zeitdiskrete und stabile Regelstrecken beschrieben, wie zwei bekannte Zustandsraumverfahren zur Windup-Vermeidung so miteinander kombiniert werden können, dass dadurch für sämtliche PI-Zustandsregler Strecken- und Regler-Windup verhindert wird, sofern diese Regler im unbegrenzten Fall stabil sind. Zurückgegriffen wird hierbei auf das „Additional Dynamic Element“ (ADE) von Hippe zur Vermeidung von Strecken-Windup [Hippe, P.: Windup in control – Its effects and their prevention, 2006; at – Automatisierungstechnik, 2007], dessen Übertragung auf zeitdiskrete Systeme im Beitrag kurz skizziert wird, sowie auf das Verfahren der Führungsgrößenkorrektur [Nuß, U.: at – Automatisierungstechnik, 2017] zur Vermeidung von Regler-Windup. Das vorgestellte Kombinationsverfahren setzt für die jeweilige Regelstrecke lediglich die Einbeziehung eines bereits existierenden P-Zustandsreglers voraus, der Strecken-Windup vermeidet. Die Bereitstellung eines möglichst einfachen und dennoch nicht allzu einschränkenden Kriteriums zur Überprüfung, ob ein P-Zustandsregler diese Eigenschaft besitzt, ist ebenfalls ein Anliegen des Beitrags. Diesbezüglich wird auf der Basis einer geeigneten Ljapunow-Funktion ein hinreichendes Kriterium angegeben, das umfassender ist als das in [Nuß, U.: at – Automatisierungstechnik, 2017] verwendete. Ein Beispiel aus der elektrischen Antriebstechnik demonstriert die Leistungsfähigkeit der vorgestellten Methode.
Die vorliegende Bachelor Thesis befasst sich mit der Funktionsweise des ArduPilot Open Source Autopiloten. Für die Ausführung erfolgt mit einem Pixhawk Flugcontroller. Dabei wird die Funktionsweise der Regler und der Navigation des Luftfahrzeuges untersucht. Nach der Analyse des Regler Aufbaus werden wird die Regelung für einen Multiplex EasyStar 2 ausgelegt und in dem Flugzeug verbaut. Für die Kommunikation mit dem Pixhawk Flugcontroller und der Parametereinstellung für die Regelung wird die Mission Planner Bodenstation verwendet. Die Regelung wird mit praktischen Flugtests und der automatischen Tuning Funktion durchgeführt. Mit Hilfe der angelegten Daten Protokolle während des Flugs wird im Nachhinein das Flugverhalten des Multiplex EasyStar 2 ausgewertet und angepasst. Nach der Auslegung der Regelparameter besteht die Aufgabe darin, einen vollautonomen Flug mit automatischem Start und automatischer Landung durchzuführen. Die Wegpunkt Generierung für den autonomen Flug erfolgt mit der Mission Planner Bodenstation. Es soll mit dieser Arbeit die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Systems überprüft werden.
Entwicklung eines miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls zur autarken Versorgung von Funkmodulen
(2017)
Diese Abschlussarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls. Das Modul soll gleichzeitig aus drei Energy-Harvestern Energie sammeln und diese in einem Doppelschichtkondensator zwischenspeichern. Diese Energie kann anschließend von einem Funksensorknoten zum Sammeln und Übermitteln von Daten genutzt werden.
Solch ein aufgebautes System verspricht bei einem geringen Volumen eine hohe Lebensdauer,geringen Wartungsaufwand und eine hohe Leistung, ohne dass eine drahtgebundene Energieversorgung oder große Batterien notwendig sind.
Nach dem Erstellen eins Konzepts und der Auswahl der dafür passenden Komponenten wurde zunächst ein Evaluations-Board aufgebaut. Auf diesem wurden alle in Frage kommenden Komponenten vermessen und die Funktion getestet. Aus den dadurch erworbenen Erkenntnissen wurde das miniaturisierte Energieversorgungs-Modul entwickelt. Das miniaturisierte Modul bietet folgende Möglichkeiten: Aus drei verschiedenen Energy Harvestern wird gleichzeitig die Energie gesammelt und aufbereitet. Durch die Nutzung eines effizienten Wandler-Moduls wird bei der Energieaufbereitung eine Effizienz von über 85 % erreicht. Drei Wandler-Module verbrauchen zusammen lediglich eine Leistung von P = 3, 459 µW. Der Maximum Power Point jedes einzelnen Harvesters kann separat eingestellt werden. Auch alle anderen Komponenten werden stromsparend gewählt. Die Energie wird in einem 1, 5 F Doppelschichtkondensator gespeichert. Zusätzlich wird als Backup-Energieversorgung eine Lithium Knopfzelle eingesetzt.
Dadurch können auch sicherheitskritische Anwendungen realisiert werden. Konnte durch die Energy Harvester nicht genügend Energie gesammelt werden, wird die Batterie dem Funksensorknoten zugeschaltet. Das miniaturisierte Modul hat die Maße 20 mm x 40 mm. Nach abschließenden Messungen mit einem neu implementierten Funksensorknoten, der in einer anderen Bachelorthesis entstanden ist [1], wurde eine Sendewiederholrate von 1, 1 s nachgewiesen. Dies stellt einen sehr guten Wert dar und reicht für die meisten Anwendungen aus.
Zuletzt wird aus allen Komponenten inklusive des Funksensorknotens ein Demonstrationsmuster zusammengebaut. Dieses hat die Maße von 5 cm x 5 cm x 5 cm und kann zur weiterführenden Forschung oder als Anschauungsmaterial genutzt werden.